Фокус с канатом и космическая ракета

Фокус с канатом и космическая ракета

 Обычные ракеты на химическом топливе весьма несовершенны в том отношении, что значительная часть их начальной тяги расходуется на подъем необходимого запаса топлива. Насколько более экономично и разумно было бы поднимать топливо заранее и пополнять его запас в ракете по мере набора ею высоты! Размышляя об этом, Дедал придумал ракетную пусковую установку, несколько напоминающую трюк с канатом, демонстрируемый индийскими факирами. Дедал вспоминает об огнепроводном шнуре, используемом для взрывных работ, который сгорает почти мгновенно: со скоростью 8000 м/с. Перед химиками фирмы КОШМАР поставлена задача разработать такой шнур, в котором горение начинается медленно, но распространяется с ускорением, скажем, 7g. Длинный кусок шнура можно было бы опустить с аэростата вниз и заправить в трубчатую ракету таким образом, чтобы конец его выходил из ее сопла. Если зажечь шнур снизу, то пламя в нем будет распространяться так, чтобы ракета двигалась вверх по шнуру. С этого момента надобность в аэростате отпадает: шнур, падающий вниз с ускорением 1g, останется в воздухе в течение времени, достаточного для прохождения ракеты.

Возникает, однако, некоторая трудность. Чтобы вывести стотонную ракету на орбиту, потребовалось бы 5000 т толстого огнепроводного шнура. Как поднять в воздух и удерживать такую тяжесть? Дедал нашел блестящее решение: нужно взять лучшее из известных ракетных топлив — смесь водорода с кислородом и наполнить этой смесью длинный-предлинный аэростат-колбасу. По расчетам Дедала, вертикально расположенный аэростат радиусом всего в 1 м способен создать реактивную тягу в 10⁷ Н. В нижней части аэростата (где ракета движется с небольшой скоростью) газы в нем разделены перегородкой из горящего с ускорением огнепроводного шнура — по мере сгорания перегородки кислород и водород смешиваются и сгорают в сопле ракеты. Когда ракета разгонится до скорости, превышающей скорость распространения пламени в смеси кислорода с водородом (около 3000 м/с), перегородка становится ненужной. Тогда смесь в сопле ракеты можно поджигать с помощью лазера. Дедал также увлечен осуществлением противоположного проекта: торможения и плавной посадки космических кораблей при помощи бикфордова шнура, скорость горения которого велика в верхней части и постепенно замедляется кинзу. Но чтобы спускаемый аппарат «оседлал» верхний конец шнура, потребуется только очень высокая навигационная точность.

New Scientist, September 20, 1973

Из записной книжки Дедала

Пусть радиус нашего аэростата равен всего лишь 1 м. Тогда его объем на метр длины равен V = ?r²?1 = 3 м³; при составе смеси 2Н₂+O₂ этот объем содержит 2м³ Н₂. Плотность водорода при нормальных условиях составляет 0,09 кг/м³, так что на каждый метр длины аэростата приходится 0,18 кг Н₂. Удельная теплота сгорания водорода равна 121 МДж/кг, и при сгорании водорода, приходящегося на метр длины аэростата, выделится энергия Е = 121 ? 0,18 = 22 МДж. Тогда ракета, движущаяся со скоростью v м/с, развивает мощность Р = 22 МВт, что эквивалентно тяге в 22 v/v = 22 МН(!). Принимая кпд = 45% (многовато даже для ракеты), мы получим тягу в 10 МН, не зависящую от скорости ракеты.

Замечание. Коэффициент полезного действия предлагаемой ракеты должен превосходить кпд обычных ракет. У обычной ракеты скорость истечения газов постоянна относительно сопла ракеты и уменьшается в системе отсчета, связанной с Землей. В нашей же ракете скорость истечения газов постоянна по отношению к неподвижному аэростату. Поэтому в системе ракеты скорость истечения газов увеличивается по мере ускорения движении ракеты, так что кпд также должен повышаться.

Задача. С увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление понижается, поэтому, если мы хотим, чтобы масса содержащегося в аэростате газа (в расчете на 1 м длины) оставалась постоянной, диаметр аэростата должен увеличиваться с высотой. В таком случае ракета должна представлять собой как бы поршень, движущийся внутри аэростата, захватывающий газ и сжигающий его в своих двигателях. Ракету можно снабдить заборным соплом, диаметр которого автоматически приводится в соответствие с диаметром аэростата. Реальная толщина атмосферы (около 50 км) может оказаться недостаточной для ускорения ракеты до первой космической скорости (8 км/с). Но поскольку аэростат невесом, мы без труда сможем расположить его под углом и увеличить таким образом путь разгона. Это также уменьшит необходимость в коррекции траектории для вывода ракеты на орбиту.