Будущее ракетных двигателей

Ракетные двигатели часто называют двигателями будущего. Многие свойства ракетных двигателей действительно дают основание для такого заявления. Следует иметь в виду, что несмотря на многовековую известность принципа движения с помощью прямой реакции ракетные двигатели по– существу находятся на самой заре своего развития.

Каково же будущее этих двигателей, как мы его можем себе представить на основании знаний сегодняшнего дня?

Важнейшим направлением в усовершенствовании ракетных двигателей является подыскание новых топлив, обеспечивающих большую удельную тягу, т. е. большую скорость истечения газов. Во всем мире ведутся интенсивнейшие исследования в этой области, причем результаты этих работ имеют большое военное значение, как, впрочем, и все работы по ЖРД. Родоначальник ракетной техники К. Э. Циолковский в своих работах также уделял много внимания выбору топлива для ракетного двигателя, причем некоторые из его указаний не потеряли своего значения и до сих пор. Много новых путей в этом направлении указали талантливые русские исследователи Ю. В. Кондратюк и Ф. А. Цандер.

Ближайшей задачей является подыскание жидких топлив, обеспечивающих большую скорость истечения и, следовательно, удельную тягу.

Новые возможности открылись бы при использовании некоторых металлов – алюминия, магния и других – в качестве горючего, причем можно было бы использовать теплоту реакции их окисления, т. е. соединения с кислородом, или же реакции соединения с фтором[19], которая сопровождаемся выделением большого количества тепла.

Большие заслуги в области исследования вопроса о применении металлов в качестве горючего для ракетных двигателей и сама идея о таком использовании металлов принадлежат рано умершему советскому ученому Цандеру. Цандер показал также, что решение этой проблемы значительно подвинуло бы вперед дело создания космического ракетного корабля, так как позволило бы использовать часть металлической конструкции самой ракеты в качестве горючего. Это, естественно, увеличило бы конечную скорость корабля, так как означало бы увеличение отбрасываемой массы и уменьшение конечной массы ракеты. Цандер предложил несколько конструкций ракеты, в которых реализовывалось это предложение. Он же произвел с этой целью первые успешные опыты по сжиганию металлов. На первом этапе, очевидно, металлическое горючее будет применяться не в чистом виде, а в качестве суспензий (взвесей) металлической пыли в обычных горючих. На фиг. 44 показан ЖРД, проходящий стендовые испытания на такой суспензии; примесь алюминия к обычному горючему дает при сгорании белый дым видный на фотографии. Для сравнения на другой фотографии (фиг. 45) показан этот же двигатель, работающий на топливе без примеси алюминия.

Фиг. 44. Испытание ЖРД на топливе с добавкой алюминия

Совершенно новые возможности открыло бы применение однокомпонентного, так называемого атомарного топлива. Дело в том, что для разложения молекул разных веществ на атомы обычно приходится затрачивать большое количество тепла или другой энергии (например электрической), а при обратном соединении атомов в молекулы это количество тепла снова выделяется. Так, молекулы водорода, как известно, состоящие из двух атомов, можно расщепить с образованием атомарного водорода пропусканием водорода через вольтову дугу. Сразу же вслед за этим атомы водорода вновь соединяются в молекулы с выделением большого количества тепла, вследствие чего водород приобретает весьма высокую температуру. Этот процесс используется в так называемой атомно‑водородной сварке. Если бы можно было воспользоваться атомарным водородом в качестве топлива для ракетных двигателей, то можно было бы получить исключительно большие скорости истечения, достигающие 10 000 м/сек, т. е. в четыре‑пять раз больше существующих скоростей. Другим преимуществом этого топлива является то, что при его использовании нет нужды во втором компоненте – окислителе. Использование атомарного водорода означало бы по существу использование электрической энергии для создания тяги, так как разложение молекул водорода на атомы происходит при затрате электрической энергии. Однако практически использовать атомарный водород в качестве топлива в ракетном двигателе пока не удается, так как соединение атомов водорода в молекулы происходит сразу же, через сотые доли секунды, после их расщепления в вольтовой дуге. Очевидно, что сначала надо найти способ сохранения атомарного водорода, либо способ расщепления молекул водорода в самой камере сгорания, например, с использованием для этой цели атомной (ядерной) энергии. Имея в виду, что жидкий водород имеет очень небольшой удельный вес (около 0,07), вследствие чего для его хранения потребовались бы баки большого объема, могло бы оказаться целесообразным применение в качестве атомарного топлива других, более плотных, веществ. Например, можно было бы применить обычную воду, каждая молекула которой, как известно, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Удельная тяга при этом была бы, правда, ниже, чем в случае атомарного водорода и составила примерно 3/4 от последней.

Усовершенствование существующих конструкций ЖРД обычно характеризуется увеличением давления в камере сгорания от 15–20 ата, принятых в настоящее время, до 30–50 и более, вплоть до 100 ата, так как при этом уменьшаются размеры и улучшается работа двигателя.

Увеличение абсолютных значений тяги, т. е. мощности существующих ЖРД, не встречает принципиальных трудностей. Двигатели с тягой в 50 и даже 100 тонн могут быть созданы уже при современном уровне техники. Так, на фиг. 46 показана фотография камеры сгорания (с змеевиком охлаждения) опытного 100‑тонного двигателя. Разрез модели двигателя с такой системой охлаждения показан на фиг. 47.

Одним из чрезвычайно серьезных условий дальнейшего развития ЖРД является улучшение охлаждения стенок камеры сгорания и сопла, а также подыскание для них более жаростойких материалов; без этого невозможно дальнейшее повышение температуры газов в камере сгорания, а следовательно, и удельной тяги двигателя. Одним из перспективных методов охлаждения является сравнительно новый способ, получивший название «охлаждения выпотеванием». В этом случае стенки изготовляются из пористого материала и через эти мельчайшие поры продавливается снаружи внутрь камеры или сопла вода или иная охлаждающая жидкость либо газ (например, азот), которые затем образуют защитный слой на внутренней поверхности стенки (эта поверхность как бы «потеет»). Температура стенки при этом способе охлаждения оказывается значительно более низкой, чем при других известных способах.

Фиг. 46. Система охлаждения камеры сгорания опытного ЖРД с тягой 100 тонн.

Наконец, следует указать и на те огромные перспективы, которые открывает возможность применения в ракетных двигателях энергии, выделяемой при распаде атомов – ядерной энергии. Правда, непосредственная скоростная энергия частиц, вылетающих с огромной скоростью (около 30 000 км/сек!) из атомов при их распаде вряд ли будет использована. Вероятнее всего, будет использована тепловая энергия, выделяющаяся в «атомном котле»; как известно, эта энергия в миллионы раз больше тепла, выделяющегося при сгорании. В этом случае специальные атомные реакторы могли бы заменить камеру сгорания ракетного двигателя, повышая температуру какого‑нибудь рабочего тела, которое уже и будет создавать реактивную тягу, вытекая с огромной скоростью из двигателя в атмосферу. В качестве такого рабочего тела целесообразно применить вещества с малым молекулярным весом. При прочих равных условиях эти вещества вытекают из двигателя с большей скоростью; идеальным в этом отношении был бы водород, теоретическая скорость истечения которого при температуре 3700 °C равна 7000 м/сек. Одним из чрезвычайно серьезных препятствий в применении атомной энергии для ракетных двигателей, как и для других авиационных двигателей, является необходимость защиты экипажа ракетного корабля от вредного действия радиоактивного излучения, сопровождающего распад ядер атомов. Для беспилотных ракет это препятствие, очевидно, отпадает.

Фиг. 47. Модель жидкостно‑реактивного двигателя.

Какие же возможности открывает, применение новых, усовершенствованных ракетных двигателей?

Прежде всего нужно подчеркнуть, что и в настоящее время использованы далеко не все возможности существующих ракетных двигателей. Взглянем на фиг. 48, на которой показаны траектории полета различных ракет. Первая кривая представляет собой траекторию полета исходной ракеты (такую же, как на фиг. 29). В качестве исходной ракеты принята ракета, изображенная на фиг. 26 и 27; двигатель ее был нами подробно описан. Вторая кривая показывает траекторию полета той же ракеты, но снабженной крыльями, как у самолета. Только из‑за этого дальность полета ракеты увеличивается с 290–300 до 550–560 км.

Значительно большие возможности открывает применение так называемых составных ракет, т. е. комбинаций из двух или большего числа обычных ракет. После выгорания топлива в одной из таких ракет она автоматически отделяется, а оставшиеся ракеты продолжают дальнейший полет. Затем начинает работать двигатель следующей ракеты, которая потом также отделяется, и т. д. (фиг. 49). Идея использования таких составных ракет принадлежит Циолковскому, который называл их «ракетными поездами». Легко видеть, что конечная скорость последней из ракет, составляющих такой «поезд», будет больше, чем была бы скорость всего «поезда», благодаря уменьшению ускоряемой массы ракеты. Следует отметить, что Циолковский разработал наряду с составной ракетой и идею переливания топлива из одной ракеты в другую в полете, что также открывает большие возможности и в некоторых отношениях даже превосходит систему «поезда».

Фиг. 48. Траектории полета различных ракет.

1 – исходная ракета; 2 – исходная ракета с крыльями; 3 – составная ракета (1‑й вариант); 4 – составная ракета (2‑й вариант).

Третья и четвертая кривые на фиг. 48 отвечают составной ракете, состоящей из двух ракет. Одна из этих ракет, задняя, т. е. отделяющаяся после того, как ее двигатель выработает все топливо, представляет собой большую бескрылую ракету с тягой около 180 тонн. Другая ракета, продолжающая полет, такая же, как и крылатая ракета, описанная выше. Общая длина такой составной ракеты (фиг. 50) превышает 30 м, а вес равен почти 100 тонн, из них около 2/3 составляет топливо.

Полет составной ракеты можно осуществить разными способами. Третья кривая соответствует тому случаю, когда составная ракета вначале поднимается вертикально вверх, причем этот подъем длится до тех пор, пока двигатель задней бескрылой ракеты не остановится из‑за выгорания всего топлива этой ракеты. После этого задняя ракета автоматически отделяется и опускается с помощью парашюта на землю, и начинает работать двигатель второй, крылатой, ракеты. Эта ракета совершает горизонтальный полет на постоянной высоте, равной примерно 24 км, со скоростью 2600 км/час, так что общая дальность полета составляет около 2500 км, а его продолжительность 70 минут.

По другому варианту (четвертая кривая) крылатая ракета после отделения бескрылой продолжает набор высоты. После остановки двигателя этой ракеты из‑за выработки топлива она совершает свободный полет, полого планируя с помощью крыльев в нижних, более плотных слоях атмосферы. В этом случае ракета достигает высоты около 300 км, причем она покрывает за 45 минут расстояние немногим менее 5000 км. При таком полете будет развиваться скорость свыше 12 000 км/час, что значительно превышает максимальные скорости, достигнутые в настоящее время.

Обращает на себя внимание исключительно большое влияние, оказываемое крыльями на дальность полета ракеты. Крылатые ракеты даже при современном уровне развития ракетной техники могут покрывать огромные расстояния.

Применение же улучшенных топлив, связанное со значительным увеличением удельной тяги двигателей, открывает здесь новые широчайшие возможности.

Фиг. 49.Схема составной (тройной) ракеты

Уже сейчас представляется принципиально возможным создание ракетного самолета, который мог бы совершить беспосадочный полет до любой цели на земном шаре и возвратиться обратно. Конечно, этому должна предшествовать еще огромная научно‑исследовательская и конструкторская работа, должны быть преодолены многие трудности и решены серьезные инженерные задачи.

На первый взгляд создание такого сверхдальнего ракетного самолета кажется парадоксальным. Мы ведь знаем, что ракетный двигатель потребляет очень много топлива, он неэкономичен. Поэтому в настоящее время ракетные самолеты, как было указано в предыдущем разделе, употребляются только в качестве истребителей‑перехватчиков, имеющих весьма небольшую продолжительность полета и не отдаляющихся от своей базы – аэродрома. И вдруг – сверхдальний ракетный самолет. Однако противоречия здесь, конечно, нет; достаточно вспомнить сверхдальний полет составной ракеты, о которой говорилось выше. Сверхдальний полет становится возможным потому, что ракетный двигатель способен работать на любой высоте, его работа не зависит от наличия кислорода в атмосфере. Поэтому ракетный самолет может достигать чрезвычайно больших высот, а потом совершать оттуда планирующий полет на большие расстояния. Двигатель такого самолета работает лишь в течение небольшого времени, пока самолет набирает высоту, поэтому запас топлива на самолете (речь идет, конечно, о новых, улучшенных топливах с повышенной удельной тягой) оказывается достаточным. Впрочем, и весь такой сверхдальний полет длится гораздо меньше, чем дальние полеты современных самолетов, так как средняя скорость ракетного самолета при этом в десятки раз больше скорости обычного самолета. Это становится возможным благодаря тому, что весь полет происходит на очень больших высотах, где сопротивление воздуха вследствие его разреженности намного меньше, чем у земли…

Благодаря большой скорости при полете вокруг Земли, самолет будет снижаться лишь очень постепенно. Кроме того, когда будут достигнуты меньшие высоты с более плотной атмосферой, то начнет сказываться подъемная сила крыла и самолет как бы отразится от этих плотных слоев, как отражается от воды брошенный плашмя камень, и снова взмоет вверх. Совершая ряд таких затухающих колебаний, самолет окажется способным облететь вокруг Земли.

Фиг. 50. Проект составной ракеты.

I – большая бескрылая ракета (задняя); II – крылатая ракета.

1 – стабилизатор; 2 – корпус ракеты (двойные стенки служат для охлаждения); 3 – реактивное сопло; 4 – камера сгорания; 5 – бак с перекисью водорода; 6 – турбонасосный агрегат; 7 – бак с кислородом; 8 – бак со спиртом; 9 – парашют; 10 – автоматическое сцепление ракет.

От такого дальнего ракетного самолета уже рукой подать и до космических кораблей – мечты Циолковского и его последователей. Овладение мировыми пространствами, преодоление силы земного притяжения, надо полагать, будет происходить постепенно, по мере усовершенствования ракетных двигателей и ракетных кораблей, увеличения удельной тяги, использования новых топлив и новых источников энергии, овладения техникой ракетного полета.

В качестве первого этапа можно себе представить создание ракетного корабля, способного бесконечно долго летать вокруг земли, превратившись таким образом в ее искусственного спутника. Конечно, такой полет вокруг Земли должен происходить на очень больших высотах, в 500–1000 км, во всяком случае вне пределов земной атмосферы, сопротивление которой должно быть исключено. Можно подсчитать, какова должна быть скорость ракетного корабля, чтобы он превратился в такого спутника Земли. Подсчет показывает, что эта скорость равна примерно 8 км/сек, т. е. более 28 000 км/час на границе атмосферы; с увеличением высоты эта скорость уменьшается и на высоте 8 000 км равна 4,8 км/сек. Это, конечно, огромная скорость по нашим сегодняшним представлениям, но она, как показывают расчеты, вполне достижима даже в относительно недалеком будущем.

Фиг. 51. Космический ракетный корабль.

При таком круговом полете наш ракетный корабль будет совершать свой путь вокруг Земли за 1,5–2 часа.

Затрата энергии для осуществления такого бесконечного полета вокруг Земли будет иметь место только во время набора высоты и разгона ракетного корабля до указанной скорости в 8 км/сек («скорость циркуляции»). Все это время, конечно, ракетные двигатели корабля будут работать, развивая огромную мощность. Но как только заданная скорость будет достигнута и ракетный корабль начнет свой круговой полет вокруг Земли, этот полет будет совершаться сам собой. Двигатели будут остановлены и корабль превратится в небольшое космическое тело, вращаясь вокруг Земли по тем же законам, которые управляют вращением Земли вокруг Солнца, вращением Луны вокруг Земли и т. д. Для обитателей ракетного корабля он станет такой же «Землей», «центром вселенной», как была ее «центром» наша Земля для всех людей в течение многих тысячелетий. На этом корабле не будет тяжести, день будет сменять ночь через каждый час, многое там будет необычно с точки зрения земных представлений. Все это блестяще описано Циолковским в его работах, которые следует прочесть каждому, интересующемуся ракетоплаванием[20].

Циолковский, а после него Кондратюк, Цандер и другие исследователи серьезно рассматривали возможность использования таких искусственных «спутников» Земли для проведения научных наблюдений, не затрудняемых наличием атмосферы, а также в качестве промежуточных станций для ракетных кораблей «дальнего сообщения», совершающих перелеты с Земли на Луну и планеты солнечной системы. На этих станциях корабли могли бы пополнять запасы топлива, принимать «транзитных» пассажиров и т. д.

«Спутники» Земли могли бы быть использованы и для других целей. С их помощью можно было бы следить за передвижением облаков на очень больших площадях, что было бы ценным подспорьем службе погоды, или осуществлять точное картографирование. Можно было бы использовать «спутники» для нужд телевидения – одна передающая радиостанция могла бы обслужить телевизионной программой весь мир, если бы несколько спутников ретранслировали эту программу. Не исключена возможность, как это предполагал Циолковский, использования «спутников» для изменения климата на Земле. Для этой цели на большом числе «спутников» должны быть установлены огромные тончайшие зеркала для фокусирования неослабленных атмосферой солнечных лучей и направления их в полярные районы. Таким способом можно было бы постепенно растопить полярный лед и превратить всю нашу планету в вечно цветущий сад. В особенности удобно во всех этих целях заставлять ракету‑«спутник» летать на высоте около 35 000 км, так как при этом время ее обращения вокруг Земли равнялось бы 24 часам, т. е. такой спутник «висел» бы над Землей в одной точке.

При увеличении скорости полета свыше 8 км/сек ракетный корабль станет описывать вокруг Земли не окружность, а все более вытянутый эллипс, с Землей в одном из его фокусов. Расчеты показывают, что когда скорость ракетного корабля увеличится примерно до 11 км/сек (около 40 000 км/час), то траектория корабля из эллипса превратится в параболу и наш корабль вовсе разорвет узы тяготения, связывающие его с Землей и удалится от нее в глубины мирового пространства. Уже при современном уровне развития ракетной техники можно было бы перебросить на Луну полезный груз в 50 кг (например радиолокационную установку) с помощью составной ракеты, состоящей из пяти ракет[21].

Полностью освободиться от пленения в солнечной системе, т. е. от силы притяжения к Солнцу, и удалиться в звездный мир ракета сможет только тогда, когда скорость ее еще увеличится, превысив 16–18 км/сек. Развитие ракетной техники сделает достижение таких скоростей вполне возможным и тогда гигантские ракетные корабли понесут посланцев Земли в бескрайние просторы вселенной, которую до сих пор человеку было дано наблюдать только сквозь стекла телескопов и о строении которой можно было поэтому лишь строить различные гипотезы. Только непосредственное проникновение вглубь мировых пространств с помощью ракетных кораблей заменит эти научные предположения достоверностью истинного знания.

Мы знаем, что решить эту задачу под силу лишь сбросившему иго капитализма, свободному советскому человеку. Только науке и технике нашей социалистической отчизны по плечу дерзания такого размаха, начинания подобного масштаба. Это возможно только в нашей стране, могучей авиационной державе, родине ракетоплавания, ибо у нас наука служит народу, наша партия и правительство оказывают колоссальную помощь и поддержку всякой передовой, революционной идее в науке и технике, у нас труд ученых, исследователей, изобретателей, новаторов окружен вниманием и любовью всего советского народа.

Народ нашей родины, осуществляющий заветные мечты человечества о свободной и счастливой жизни, успешно строящий светлое здание коммунизма, строящий общество, в котором все силы человечества будут служить покорению природы и познанию ее тайн, наш советский народ осуществит и давнишнюю мечту людей, затаенную мечту многих и многих ученых и изобретателей, мечту о путешествиях по бескрайнему мировому пространству, об исследовании все новых и новых миров, где, может быть, как и на Земле, есть жизнь и живут мыслящие существа.

[1]Слово «ракетный» происходит от итальянского «racchetto», что значит веретено, стержень. Этот термин объясняется тем, что первые ракеты (фейерверочные) своим внешним видом действительно напоминали веретено, да еще обычно снабжались для устойчивости полета деревянным стержнем. Именно ракеты, применявшиеся с давних пор в Китае, представляли собой первые реактивные двигатели, тогда как воздушно‑реактивные двигатели появились лишь в последние годы.

[2]Для оценки совершенства рабочего процесса обычно вводят так называемый внутренний коэффициент полезного действия двигателя. Его величина равна 0,3–0,6.

[3]Это использование скоростной энергии струи для совершения полезной работы обычно оценивается величиной так называемого тягового коэффициента полезного действия двигателя, меняющегося в пределах от 0 до 1, в зависимости от скорости полета.

[4]Такие насадки впервые были предложены в 1886 году русским изобретателем Гешвендом.

[5]Расход топлива на 1 л. с. полезной мощности определяется величиной общего к. п. д. двигателя, равного произведению внутреннего и тягового к. п. д. Величина общего к. п. д. определяет долю тепловой энергии топлива, переходящей в полезную работу. При скоростях полета до 1000–1200 км/час эта доля для ракетного двигателя не превышает 10 %.

[6]Так, например, 75‑мм пушка, стреляющая снарядом весом в 6,3 кг, сама весит 1170 кг.

[7]Эта температура зависит также от теплоемкости пороховых газов, времени сгорания и других факторов.

[8]Об этом подробнее рассказано в разделе о ракетном двигателе на жидком топливе (ЖРД).

[9]При переиздании этой работы в 1924 г. и позже она называлась «Ракета в космическое пространство».

[10]При этом, естественно, подразумевается, что топливо при горении не только выделяет тепло, но и образует в большом количестве газообразные продукты сгорания, воспринимающие это тепло и способные производить работу.

[11]Для полного сгорания 1 кг спирта потребовалось бы свыше 2 кг кислорода. В некоторых случаях соотношение весов кислорода и спирта на ракете отвечало расходу 1,2 кг кислорода на 1 кг спирта.

[12]Обычно размеры метеоритов очень невелики, не более 1 мм. Земли достигают самые крупные метеориты, которые не успевают «сгореть» и лишь оплавляются с поверхности. Поэтому падение метеорита на землю сравнительно редкое явление.

[13]Конечно, речь может итти только о простоте схемы двигателя ракеты по сравнению с поршневым двигателем. По сравнению с другими ЖРД этот двигатель вовсе не отличается большой простотой. В конструкции двигателя немало весьма сложных элементов, в особенности в системе управления и регулирования.

[14]По другим данным давление равно 15–16 ата, а температура 2400–2500 °C.

[15]В описываемом двигателе вначале подается кислород, а затем спирт.

[16]Азотистоводородное соединение.

[17]При работе двигателя на полной мощности даже 4–5 мин.

[18]Эти снаряды обычно наводятся на цель по радио, имеют устройства для самонаведения, радиовзрыватели и другие приспособления для повышения их эффективности.

[19]Элемент из так называемой группы галлоидов, в которую помимо фтора входят хлор, иод, бром.

[20]Циолковский «Труды по ракетной технике», Оборонгиз, 1947 г.

[21]Вес этой ракеты при взлете, по данным весьма приближенного расчета, должен был бы составлять примерно 1000 тонн.