Дальние межпланетные экспедиции и проблема тяги

Дальние межпланетные экспедиции и проблема тяги

Общеизвестно, что на сегодняшний день основой космической экспансии человечества по-прежнему являются ракеты на жидком топливе. Однако имеющиеся в наличии и перспективные ракеты на жидком топливе, к сожалению, не способны решить самую интересную (но и самую трудную) задачу в истории человечества — в приемлемые сроки доставить экспедицию из нескольких космонавтов к какой-либо из планет Солнечной системы. И хотя некоторые простейшие межпланетные полеты и возможно реализовать на кораблях с термохимическими ракетными двигателями, они потребовали бы поистине грандиозных затрат топлива Это дает основание считать подобные полеты если и не принципиально, то практически неосуществимыми.

Такой вывод является следствием малой величины химической энергии. Разумеется, все познается в сравнении, и говорить можно только об относительных величинах. Ведь сама по себе химическая энергия не так уж мала. Один килограмм современного ракетного топлива способен выделить при сгорании примерно 4000 ккал тепла. Одна килокалория тепловой энергии эквивалентна 427 килограммометрам механической работы. Это значит, что тепла, выделяющегося при сгорании одного килограмма топлива, достаточно, чтобы поднять массу в один килограмм на высоту 40 004 271 700 километров, считая поле земного тяготения постоянным (в действительности эта высота будет больше 2300 километров).

В свою очередь «работа отрыва», то есть работа, необходимая для «удаления» одного килограмма массы с поверхности Земли в бесконечность, как это должно происходить при всех межпланетных полетах, эквивалентна перенесению на высоту, равную земному радиусу (примерно 6400 километров). Это означает, что для отрыва от Земли одного килограмма массы межпланетного корабля теоретически потребовалось бы менее четырех килограммов ракетного топлива. Но в действительности расход топлива должен быть во много раз больше. Это объясняется многочисленными непроизводительными затратами энергии топлива, сопровождающими такой взлет. Часть энергии теряется в камере сгорания двигателя, то есть в процессе перехода химической энергии в тепловую, другая часть — в двигателе же, при переходе тепловой энергии в кинетическую энергию реактивной струи. Значительная энергия бесполезно теряется и с вытекающими из двигателя газами. Часть энергии уходит на подъем самого топлива в поле земного тяготения. Приходится преодолевать сопротивление земной атмосферы, имеют место так называемые гравитационные потери, связанные с работой двигателя ракеты, взлетающей в поле земного тяготения, и так далее.

Вот почему столь большая в действительности химическая энергия оказывается не в состоянии решить сложные задачи космонавтики. Доля полезной нагрузки во взлетной массе «химических» межпланетных ракет составляет лишь доли процента, что и приводит к чрезмерно большим значениям взлетной массы.

На этом фоне заметно выигрывают ракеты с ядерными двигателями (ЯРД), разговоры о которых ведутся с 20-х годов XX века. О них мы сейчас и поговорим.