Вторая половина XX века навсегда останется в памяти человечества, как начало космической эры. Космические трассы протягиваются все дальше, и дальше - сначала к Луне, Венере, и Марсу; на очереди Меркурий, и Юпитер, затем Уран, и Плутон, а завтра космические корабли отправятся за пределы Солнечной системы - к звездам. Но успехи в завоевании космоса немыслимы без создания надежных, и экономичных двигателей.
Чтобы изменить движение любого тела (а покой - это частный случаи движения), необходимо к этому телу приложить силу, создать тяговое усилие. А тяга, как известно, создается двигателем. Точнее, тяговой системой, так, как, кроме двигателя, превращающего, какую-либо энергию в механическое движение своих частей, всякий самодвижущийся аппарат должен иметь движитель. Например, 3 поршневого самолета роль движителя играет воздушный винт. У велосипеда, автомобиля или тепловоза движитель - колеса; у морского судна - гребной винт. Однако движитель может выполнить свое предназначение лишь в случае, если у него есть возможность захватывать, и отбрасывать, какую-то внешнюю среду - воздух, воду. А что отбрасывает автомобиль? Или, скажем, пешеход? Как это ни парадоксально, они отбрасывают саму Землю. Только масса нашей планеты так велика, что это «отбрасывание» ею не ощущается. «Отбрасывание» планеты происходит за счет сил трения между шинами или подошвами, и поверхностью Земли.
Общий принцип движения можно сформулировать в следующем виде «Всякое неинерционное движение реактивно». Говоря проще, это означает создание тяговых усилий связано с отбрасыванием, какой-то массы (в дальнейшем мы будем называть ее реактивной массой).
Разумеется, если внешняя среда имеет слишком малую плотность или же вовсе отсутствует, запас реактивной массы (иначе её называют рабочим телом) для сознания тяги придется иметь на борту аппарата. Кроме запаса рабочего тела, необходим определенный бортовой запас энергии.
В принципе возможен случаи, когда функции рабочего тела, и энергетического вещества объединяются в одном, и том же продукте. Именно так обстоит дело в жидкостном ракетном двигателе – ЖРД. Его топливо, состоящее из горючего, и окислителя, обеспечивает, и приток энергии (за счет химической реакции горения, почему ЖРД, и относят к категории «химических» двигателей), и одновременно является рабочим телом продукты сгорания выбрасываются из ЖРД, создавая тягу. Впрочем, объединение в себе, и двигателя, и движителя характерно, и для любого другого ракетного двигателя.
Таким образом, если строго определить понятие тяговой системы, то оно будет в себя включать совокупность двигателя, движителя, необходимого запаса энергии, и рабочего тела, а также несущей все это конструкции.
ЖРД И ЕГО ВОЗМОЖНОСТИ
Разговор о космических тяговых системах начат с ЖРД не случайно. Эти двигатели уже давно исправно служат делу изучения, и освоения космического пространства. И, пожалуй, не будет большим преувеличением сказать, что в представлении большинства неспециалистов ЖРД едва ли не единственное средство создания тяги в космосе. Однако это далеко не так. Более того, преувеличение роли ЖРД в космических полетах (а в такую крайность впадают, к сожалению, и некоторые специалисты) может затормозить развитие работ по изысканию новых способов создания тяги.
Об этих новых, перспективных типах тяговых систем, и пойдет речь.
Вначале рассмотрим более детально основные принципы создания тяги в ракетном двигателе. Проще всего это сделать на примере широко распространенного ЖРД. В камеру сгорания двигателя подаются компоненты топлива - горючее, и окислитель, в результате химической реакции окисления (горения) температура топлива повышаемся, и газообразные продукты сгорания через профилированный капал - сопло - истекают наружу, создавая тягу Величина силы тяги определяемся двумя параметрами:
скоростью истечения газов, и секундным расходом рабочего тела т. Увеличение скорости истечения газов, и увеличение скорости расходования рабочего тела повышает тягу. Математически это выражается просто:
Кроме силы тяги, другой важнейшей характеристикой двигателя является так называемый удельный импульс. Если сила тяги R определяют тяговооруженность космического корабля, и зависит от абсолютных размеров двигателя, то удельный импульс характеризует экономичность тяговой системы, и определяется совершенством всех процессов, протекающих в двигателе. Физически эта величина показывает, какую тягу создает двигатель на каждый килограмм топлива за секунду.
В принципе возможно создание тяговых систем, обладающих, и высокой экономичностью, и большой абсолютной тягой. Однако пока, что добиться высокой экономичности удается в основном только для систем малой тяги. Поэтому двигатели, и делятся на два больших семейства двигатели малой тяги (высокой экономичности), имеющие высокие скорости истечения газов, но небольшие массы отбрасываемого рабочего тела, и двигатели большой тяги, где, наоборот, скорости истечения газов невысоки, но реактивная масса велика. Первые пригодны для создания малых ускорений в открытом космосе. По для преодоления земного притяжения, сопротивления атмосферы, и первоначального разгона космического корабля годятся только двигатели большой тяги.
И тяга ракетного двигателя, и его экономичность зависят от скорости отбрасывания реактивной массы. Не удивительно, что повышение этой скорости - предмет неустанных забот теоретиков, и конструкторов-двигателистов.
Скорость истечения газов из сопла ракетного двигателя зависит от их температуры, и молекулярного веса. Чем температура выше, тем больше скорость; молекулярный вес продуктов сгорания (рабочего тела), напротив, желательно иметь, как можно меньше с его уменьшением скорость истечения возрастает. С этой точки зрения наилучшим горючим, видимо, следует признать жидкий водород. Он обладает большой теплотворной способностью, обеспечивающей высокую температуру продуктов сгорания, и самым низким молекулярным весом из всех веществ известных на Земле. Кроме того, жидкий водород обладает, как принято говорить, большим хладоресурсом, то есть его прежде чем отправить в камеру сгорания, можно эффективно использовать для охлаждения двигателя и самого летательного аппарата (а последнее представляет собой самостоятельную проблему, особенно важную при возвращении космического корабля на поверхность Земли).
В паре с жидким кислородом сжиженный водород дает удельный импульс около 450 сек. Для сравнения напомним, что у современных ЖРД, работающих на не криогенном топливе (например, углеводородном) значение не превышает 350 сек.
Какова максимально достижимая величина удельного импульса для химического ракетного двигателя? Исследования показывают, что она не превосходит 500 сек. (например, для топливной пары водород - фтор).
Много это или мало? Попробуем разобраться в этом вопросе. При полете в пустоте, вне влияния, каких-либо силовых полей, ракетный принцип создания тяги, как известно, обеспечивает прирост скорости полета, определяемый знаменитым уравнением Циолковского:
Здесь фигурирует все та же скорость отбрасывания реактивной массы U.
Величина delta V («бортовой запас скорости») характеризует энергетические возможности корабля такая скорость приобретается кораблем, если весь запас топлива будет израсходован сразу. Увеличение delta V позволяет расширить диапазон доступных трасс или сократить время полета.
Число Z (его называют числом Циолковского) - это отношение начальной массы космического корабля к конечной, после того, как будет израсходован весь бортовой запас рабочего тола. Как было сказано выше, химический ЖРД может дать не более 500 сек. Проделав несложные расчеты, из формулы U = g0L, получим, что предельная скорость истечения Umax для него - менее 5 км/сек.
Значит, если нужен прирост скорости более 5 км/сек., остается надеяться только на отношение начальной, и конечной масс корабля, а проще говоря - на относительный запас топлива. У современных ракет-носителей с ЖРД на долю топлива может приходиться до 80 - 85% стартового веса. Если провести несложный расчет, легко убедиться, что для одноступенчатого аппарата с химическим ЖРД delta V не превышает 10 км/сек.
А какой прирост скорости нужен для космического полета?
Выведение искусственных спутников Земли (ИСЗ) на низкую геоцентрическую орбиту (с учетом всех потерь) требует более 9 км/сек. Полет к Лупе (в один конец) - более 12 км/сек. А для путешествия к Венере или Марсу нужно не мопсе 40 - 50 км/сек (см. рис 1).
Конечно, можно использовать принцип ступенчатости, по это удорожает и усложняет космические полеты, и приводит к засорению космоса отработавшими одноразовыми ступенями. (Именно поэтому в настоящее время обострился интерес к многоразовым космическим кораблям и ракетам.)
А нельзя ли увеличить скорость истечения рабочего тела U за счет повышения его температуры? Это привело бы, и к повышению экономичности тяговых систем и к увеличению «запаса скорости» космических кораблей.
Однако химические ЖРД исчерпали свои возможности реакция горения может дать лишь вполне определенную температуру газов.
ДВИГАТЕЛЬ НА ЯДЕРНОМ ГОРЮЧЕМ
В принципе рабочее тело не обязательно нагревать за счет химических реакций. А если использовать ядерные?.. Оказывается, это прекрасный выход - нагревать реактивную массу не за счет горения, а за счет тепла, образующегося при торможении осколков ядер делящегося вещества в управляемых реакторах. В качестве рабочею тела лучше всего использовать все тот же водород, проходящий через активную зону ядерного реактора.
При нагреве водорода в ядерном реакторе удельный импульс зависит от температуры в активной зоне, как показано на рис. 2.
Энергия деления ядер в 10^7 раз больше энергии химических реакций. Поэтому расход делящегося вещества в ядерном реакторе пренебрежимо мал по сравнению с расходом топлива в ЖРД. В ядерном ракетном двигателе (сокращенно - ЯРД) расходуется практически только рабочее тело.
ЯРД позволяет получить достаточно высокую величину удельного импульса. Это особенно важно при дальних космических полетах, когда использование ЯРД вместо ЖРД позволит значительно сократить время полета или же увеличить полезную нагрузку корабля. На рисунке 3 приведена зависимость потребного удельного импульса от суммарного «запаса скорости» корабля, нужного для полета на заданное расстояние с заданной нагрузкой.
Активная зона реактора (где происходит деление ядер, и торможение их осколков, преобразуемое в тепло) может быть трех типов твердая, жидкая и газовая. Соответственно этому, и ЯРД подразделяются на твердофазные, жидкофазные и газофазные. (В принципе возможен ЯРД, и с пылеобразной активной зоной.)
На рисунке 1 цветной вкладки показана схема ЯРД с твердой активной зоной. В настоящее время подобный двигатель разрабатывается в США по программе «Нерва». При тепловой мощности реактора 1 500 Мвт 1этот ЯРД будет давать тягу в 33 тонны, а удельный импульс - около 850 сек. Общие затраты на создание двигателя могут составить более 600 миллионов долларов
Однако твердофазный ЯРД имеет один принципиальный недостаток степень нагрева водорода в реакторе с твердой активной зоной ограничена температурой плавления делящегося вещества. Из-за этого предельно достижимое значение l для такого ЯРД не может превысить 900 сек.
Другая разновидность ЯРД - с жилкой активной зоной позволяет поднять l до 1 300 - 1 500 сек. Но ядерное горючее (а оно здесь расплавлено), интенсивно испаряясь, будет попадать в водород, что приведет к росту молекулярного веса рабочего тела. Поэтому прирост температуры не дает существенного увеличения удельного импульса. Кроме того, в таком ЯРД велики потери ядерного горючего, которое будет уноситься вместе с рабочим телом (а значит, этот ЯРД окажется источником радиоактивного заражения окружающей среды). Все это сильно снижает интерес к жидкофазному ЯРД. Промежуточные характеристики между твердофазным и жидкофазным ЯРД, может иметь двигатель с пылевым реактором (в нем делящееся вещество находится в мелкораздробленном состоянии) В настоящее время среди специалистов вот единой точки зрения существую! приверженцы твердофазных ЯРД (такие двигатели можно создать значительно раньше ЯРД других схем), но немало сторонников, и более перспективных типов ЯРД. Они полагают, что нет смысла задерживаться на исследованиях и испытаниях ЯРД с малыми температурами активной зоны, а сразу следует начинать разработку более совершенных схем, которые хотя, и потребуют больше усилий и времени, но зато сулят, и большие преимущества. И здесь в первую очередь разговор идет
О ГАЗОФАЗНОМ ЯРД
Теоретически достижимое значение удельного импульса для такого двигателя составит 2 000 - 2 500 сек. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики ЯРД всех четырех схем.
Для создания ЯРД с газовой активной зоной потребуется решить немало сложных задач. Например, обеспечение прочности конструкции двигателя при столь высоких температурах, и давлениях. Вторая трудная проблема при разработке газофазного ЯРД - разделение находящихся один внутри другого, потоков рабочего тела, и ядерного горючего, необходимое для снижения потерь делящегося вещества.
Преодоление этих трудностей невозможно без, каких-то конструктивных ухищрений. Каким же представляется в современных проектах решение названных проблем? Самая простая схема газофазного ЯРД показана на рисунке 2 цветной вкладки. Здесь разделение рабочего тела и ядерного горючего вовсе не предусмотрено. Недаром эта схема получила название «физлер», что в переводе е английского означает «свистун»
В самом деле, ядерное горючее в таком двигателе будет «свистеть» наружу вместе с потоком рабочего тела, ибо здесь оно подается в полость реактора в смеси с водородом, который нагревается в результате ядерной реакции, и вместе с горючим выбрасывается из сопла, создавая тягу. Полость реактора - как и во всех других схемах газофазного ЯРД - окружена слоем замедлителя, отражающего нейтроны, и поддерживающего тем самым цепную реакцию в делящемся веществе. Поскольку ядерное горючее весьма недешево (порядка 15 - 16 тысяч долларов за килограмм), эта схема газофазного ЯРД, несмотря на простоту, не получила признания.
Первые попытки удержания газообразного ядерного горючего основывались на использовании центробежных сил горючее вихреобразно закручивается, образуя полый цилиндр. Водород подается в зазор между стенкой реактора и вращающимся цилиндром из делящегося вещества (см. рис. 3 цветной вкладки). Проникая через слои делящегося вещества во внутреннюю полость вращающегося цилиндра, водород нагревается, и истекает через сопло. В этой схеме удачно решается задача обеспечения прочности корпуса реактора, поскольку его стенки отделены от ядерного вихря холодным водородом. Но, к сожалению, скорость проникновения оказалась очень низкой, а сама схема ЯРД - нежизнеспособной.
Современные схемы газофазных ЯРД строятся по принципу передачи энергии от ядерного горючего к водороду без1 их непосредственного соприкосновения, только за счет теплового излучения. Для этого между потоками рабочего тела и делящегося вещества помещается прозрачная стенка (рис. 4 цветной вкладки).
Такую схему часто называют «ядерной лампой». Прозрачная стенка имеет внутреннее охлаждение, а между ней, и плазменным жгутом ядерного горючего (в удержании жгута участвуют электромагниты) циркулирует прозрачный буферный газ (например, неон). Его задача - исключить осаждение делящегося вещества на стейке, что привело бы к снижению ее прозрачности и к уменьшению теплопередачи от плазмы к рабочему телу. В последние годы такой ЯРД разрабатывает американская фирма Юнайтед Эйркрафт. Поскольку этот ЯРД не выбрасывает осколков деления, он пригоден не только для полетов в космосе, но, и в атмосфере.
РАКЕТА НА АТОМНЫХ БОМБАХ
Помимо вышеописанных «классических» ракетных двигателей с ядерным подогревом рабочего тела, в последние годы исследуются и некоторые другие, подчас весьма экзотичные. К таким необычным тяговым системам относится импульсный ЯРД. По мнению некоторых ученых, такой двигатель может использоваться при полетах в тали от Земли, и оживленных «космических трактов». В США в ходе исследований по программе Орион были оценены возможные характеристики такого двигателя. Устройство импульсного ЯРД показано на рисунке 5 цветной вкладки. Движение космического корабля с такой тяговой системой происходит за счет периодических взрывов малых атомных бомб, выбрасываемых с борта аппарата. При каждом взрыве часть газообразных осколков деления с большой скоростью ударяется в основание корабля-толкающую платформу, оборудованною демпфирующими устройствами. Движение осколков передается платформе, и она начинает двигаться вперед с очень большим ускорением. Демпфирующие устройства уменьшают ускорение, и обеспечивают в районе кабины экипажа приемлемую перегрузку. После цикла сжатия амортизаторы возвращают платформу в начальное положение, и она снова готова к восприятию очередного импульса. Суммарное приращение скорости такого корабля определяется запасом ядерных зарядов на его борту. Теоретически импульсный ЯРД (если исходить только из располагаемой энергии) может обеспечить удельный импульс более 200 000 сек. Если же использовать термоядерные заряды, то значение l возрастет до 400 000 сек. Однако при создании импульсного ЯРД возникает множество проблем, которые пока еще не могут быть решены.
Основная из них - засорение пространства радиоактивными осколками, образующимися при ядерном взрыве. Так, что, несмотря на их теоретически очень высокую экономичность. импульсные ЯРД вряд ли скоро найдут себе применение. Но если у человечества возникнет перспектива мирным путем израсходовать запасы ядерного оружия, идея импульсного ЯРД еще сможет привлечь внимание ученых.
РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА
Пока, что речь шла в основном о преимуществах ядерных двигателей. Но ничто в природе не дается даром!
Эти двигатели обладают, и некоторыми принципиальными недостатками. Один и основных - причем общий для всех ЯРД - это необходимость биологической защиты экипажа. Для решения подобной задачи используются тяжелые, например, свинцовые экраны (защита от у-излучения), и толстые оболочки из веществ с малым атомным весом (нейтронная защита). В условиях открытого космоса можно применить так называемую «теневую защиту». Ее устройство ясно из рисунка 6. Но такая защита гарантирует безопасность экипажа только в пустоте. где нет рассеянного излучения от воздуха. Для аппаратов, стартующих с поверхности Земли, нужна иная схема защиты - круговая (см рис. 7 и 8). Последний вариант зашиты целесообразен, когда двигатель использует в качестве рабочего тела окружающую среду (например, воздух).
Космический корабль с ЯРД вынужден часть своего веса использовать для биологической защиты. Но зато корабль, снабженный круговой защитной оболочкой на кабине экипажа, сможет не только безнаказанно проходить сквозь естественные радиационные пояса Земли, но при необходимости, и совершать в их пределах длительный полет. А такой полет может потребоваться и для изучения самих поясов, и для движения на оптимальной высоте при решении различных научных и народнохозяйственных задач (например, таких, как разведка рыбы, и промысловых животных, геодезия, метеонаблюдения и т. и.).
ЭЛЕКТРОЯДЕРНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Тяговые системы, о которых речь шла выше, относятся к классу двигателей с большой тягой, но сравнительно невысокой экономичностью (за исключением импульсного ЯРД). Однако на базе атомного реактора можно создать тяговую систему с очень высокой экономичностью. Правда тяга этой системы будет весьма ограниченной (Как видите, и здесь сказывается принцип-ничто не дается даром - одно выигрывается, другое проигрывается.)
Основные отличия этих двух классов тяговых систем - с большой тягой, но ограниченной экономичностью и с высокой экономичностью, но ограниченной тягой, - сводятся к следующему. В системах первого класса (большой тяги) рабочее тело нагревается непосредственно при прохождении через реактор. Системы малой тяги содержат промежуточные устройства, в которых ядерная энергия превращается в электрическую, а уж последняя используется для нагрева или прямого ускорения рабочего тела (рис. 4 в тексте). Двигатели малой тяги с промежуточным преобразованием ядерной энергии в электрическую часто называют электро-ядерными ракетными двигателями (ЭЯРД).
В системах большой тяги собственно двигатель обычно составляет небольшую долю общего веса корабля, а наибольшая доля веса приходится на топливо (рабочее тело). Такие тяговые системы создают большие ускорения, но работают непродолжительно. После короткою активного участка корабль переходи г в пассивный полег, определяемый лишь воздействием внешних полей.
Тяговые системы высокой экономичности (малой тяги) имеют вес одного порядка с рабочим телом. Они обеспечивают малое ускорение, но в течение длительных отрезков времени, в пределе - на всей траектории полета. В последнем случае корабль движется уже не по кеплеровой кривой.
Существует много различных схем ЭЯРД. Но во всех случаях (исключая дуговой РД) для разгона рабочего тела в двигателе используются электрические или магнитные ноля (а также их комбинации). Наиболее характерны три схемы ускоряющих систем (рис. 9). Первая, так называемый электродуговой РД, по существу, - тепловой ускоритель здесь для разгона рабочего тела используется омический нагрев газа электротоком.
В одном из видов ЭЯРД рабочее тело представляет собой ионы, получаемые в специальном эмиттере. Например, при контактной ионизации цезия, проходящего через пористую вольфрамовую перегородку. Ускорение ионов в таком «ионном двигателе» осуществляется за счет разности потенциалов между эмиттером, и специальной решеткой. Справедливости ради следует заметить, что такой двигатель, забывая об ионном токе, подчас ошибочно называют «электростатическим»
В магнитогидродинамическом двигателе (МГД ЭЯРД) энергия передается рабочему телу за счет силы Лоренца, возникающей при взаимодействии магнитного поля с электротоком в плазме. (Ток идет поперек магнитного поля ускорителя).
Значения удельного импульса, обеспечиваемые разными ЭЯРД, следующие электродуговой - до 1 500 сек. (как видите, не очень много - это потому, что ускорение рабочего тела в нем чисто термическое); МГД ЭЯРД - до 6 000 - 7 000 сек., а ионный РД - до 20 000 сек.
Поскольку ЭЯРД включает преобразователь энергии, сходный с атомной электростанцией, его собственный вес оказывается весьма заметным в общем балансе весов космического корабля. Поэтому для двигателей малой тяги, кроме величины у тельного импульса, большое значение имеет удельный вес, то есть вес тяговой системы, приходящийся на каждую единицу ее выходной электрической мощности. Применение ЭЯРД Для космического полета целесообразно при удельном весе не более 15-20 кгс/квт. А какие веса ЭЯРД достижимы в ближайшей перспективе? Вполне возможно, что удельный вес таких систем уже в скором времени удастся снизить до 4 кгс/квт. Добавим, что для трехгодичной экспедиции одноступенчатого корабля к Юпитеру нужно обеспечить удельный вес ЭЯРД не более 20 кгс/квт, а к Плутону - порядка 0,2 кгс/квт. При использовании систем большой тяги необходимы удельные импульсы порядка 2 000 сек. и 20 000 сек. соответственно.
В настоящее время разрабатываются ЭЯРД новых типов, сочетающие в себе простоту дуговых, и легкость магнитогидродинамических двигателей (например, ускоритель Холла).
Еще один своеобразный тип двигателя малой тяги - термоядерный РД. Его удельный вес может быть порядка 1 кгс/квт. Возможная принципиальная схема космического корабля с такой тяговой системой изображена на рис. 10. Однако термоядерный РД пока, что проработан значительно хуже иных типов ядерных двигателей.
Двигатели малой тяги скорее всего не будут конкурировать в космосе с двигателями большой тяги. При пилотируемых полетах, перевозке пассажиров, спасательных операциях в космосе, и т. п., то есть во всех случаях, связанных с участием людей, будут почти всегда использоваться двигатели большой тяги. Потому, что в этих случаях фактор времени всегда будет играть важную роль.
Но при перевозке грузов время не будет иметь такого решающего значения. Поэтому наиболее целесообразным способом транспортировки грузов будет, по-видимому, использование беспилотных грузовых кораблей, оснащенных электроракетными двигателями малой тяги. Например, полег подобного автоматического корабля с Земли на Луну может продолжаться от 30 до 90 суток. Для сравнения вспомним, что полет пилотируемого корабля «Аполлон-16» «в один конец» продолжался четверо суток. Таковы в общих чертах перспективы применения энергии атома в космосе.
Не остаются без внимания исследователей, и неядерные системы малой тяги. Например, изучаются возможности солнечной энергетической установки. Однако такие тяговые системы относятся уже к новому семейству - они используют не только бортовые, но, и внешние источники энергии. Нет нужды доказывать, как велика роль таких систем в развитии дальних космических полетов. Особенно привлекательны те системы, которые способны использовать не только внешние источники энергии, но, и внешние ресурсы рабочего тела. Такие системы перспективнее ЯРД. Это следует понимать, и в том смысле, что они экономичнее, и в том, что их развитие - дело более далекого будущего. Того далекого будущего. когда одной из важнейших своих задач человечество признает освоение дальнего космоса, и начнет полеты за пределы Солнечной системы - к ближайшим звездам, и к иным галактикам. О тяговых системах для таких космических полетов, в частности, использующих внешние источники энергии, и внешние ресурсы рабочего тела, мы постараемся рассказать в дальнейшем.
По материалам зарубежной печати
