Глава 8 ОТ РАКЕТНОГО САМОЛЕТА ДО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ
Десятилетия, прошедшие с тех пор, как Циолковский создал астронавтику, показали всю правильность разработанного им стратегического плана борьбы за покорение мирового пространства.
Циолковский считал, что путь в мировое пространство совпадает со столбовой дорогой развития авиации и реактивной техники. Сначала все более высотные полеты самолетов с обычными поршневыми двигателями. Затем создание «стратопланов полуреактивных» (так называл Циолковский самолеты с воздушно-реактивными двигателями за много лет до того, как такие самолеты появились в действительности). Все большая скорость и высота полета этих самолетов. Наконец, переход к ракетным самолетам с жидкостными ракетными двигателями, способными летать в самых верхних слоях атмосферы с недосягаемыми для других самолетов скоростями. Далее, с постепенным ростом скорости, высоты и дальности полета и уменьшением поверхности несущих крыльев — к космической ракете.
Многие ученые на Западе смотрели на дело иначе. Они писали, что астронавтика будет развиваться вне связи с авиацией, своей особой дорогой. Выходило так, что астронавтика закладывается на чистом месте, что создание космического корабля — задача, которая должна решаться с самого начала как целиком новая, что опыт авиации ничем здесь помочь не может.
Теперь уже можно говорить о том, что история опровергла эти утверждения. Нет сомнений, что весь ход развития авиации и реактивной техники подготавливает почву для решения задач астронавтики. Без опыта, накопленного за все эти годы авиацией и реактивной техникой, создание космического корабля было бы невозможным. Авиация и реактивная техника являются техническим фундаментом астронавтики. Именно поэтому с каждым годом возможность осуществления полетов в мировое пространство делается все более реальной и вековая мечта человечества — все более осуществимой.
Развитие реактивной техники вскрыло еще одну весьма интересную особенность, по существу предсказанную Циолковским. Две бывшие до сих пор самостоятельными ветви реактивной техники — авиация и артиллерия — постепенно сближаются. Конструктивные формы самолетов и ракет становятся все более сходными, и в них начинают угадываться будущие очертания космических кораблей. Самолеты постепенно теряют очертания, характерные для обычной винтовой авиации: нос фюзеляжа становится заостренным, как у снаряда; крылья уменьшаются в размерах, приобретают стреловидные очертания; дужка крыла вместо каплевидной формы получает заостренную переднюю кромку. С другой стороны, тяжелые реактивные снаряды приобретают небольшие крылышки и становятся очень похожими на некоторые новые, реактивные самолеты.
Сама механика полета самолетов может стать в будущем очень непохожей на принятую в настоящее время и приблизиться к артиллерийской. В настоящее время двигатель самолета, как известно, работает в течение всего времени полета, тогда как двигатель реактивного снаряда работает лишь в течение короткого промежутка времени — при запуске-выстреле. Установка на самолете ракетного двигателя, имеющего большую тягу, позволяет осуществить полет самолета по образцу полета снаряда. В этом случае двигатель самолета работает лишь короткое время при взлете, осуществляя разгон самолета до очень большой скорости и забрасывая его, подобно снаряду, на огромную высоту. Дальнейший полет самолета осуществляется с остановленным двигателем, так что топливо не расходуется, причем самолет совершает длительный планирующий полет с постепенным снижением. Расчет показывает, что самолет в состоянии пролететь при этом гораздо большее расстояние и совершить такой полет в значительно меньшее время, чем существующие сейчас самолеты любых типов.
Несомненно, именно так будут совершаться в будущем сверхдальние и сверхскоростные перелеты на Земле. Например, полет Владивосток — Москва можно будет совершить таким образом примерно за один час, обгоняя видимое движение Солнца. Так что, поужинав во Владивостоке, можно будет в тот же день… позавтракать в Москве! Такие полеты сближают авиацию с астронавтикой, ибо при их выполнении самолеты должны залетать, по существу, уже в преддверие мирового пространства. Техника полета межпланетного корабля будет также основана на коротком разгоне вначале и последующем длительном полете с остановленным двигателем. В главе 10 возможность таких астронавтических перелетов на Земле будет рассмотрена подробнее.
Формула Циолковского, о которой шла речь в предыдущей главе, показывает, в каком направлении должна развиваться реактивная техника, чтобы решить задачи астронавтики. Реактивные летательные аппараты должны совершенствоваться так, чтобы: а) на аппарате данного веса можно было разместить возможно большее весовое количество топлива; б) жидкостные ракетные двигатели обеспечивали максимально возможную скорость истечения газов.
Каковы же перспективы развития реактивной техники в обоих этих направлениях?
Возможности дальнейшего увеличения относительного запаса топлива на ракете в настоящее время весьма ограниченны. Вспомните дальнюю ракету, описанную в главе 6. Вес топлива на этой ракете превышал вес пустой ракеты (без полезного груза) примерно в 3 раза. В лучших образцах построенных одноступенчатых ракет это соотношение значительно больше, что является замечательным достижением. Ведь обыкновенный легкий алюминиевый бачок вместимостью 10 килограммов бензина весит примерно 1 килограмм. Значит, уже сейчас по весу ракеты на 1 килограмм запасенного на ней топлива она всего раза в полтора тяжелее такого бачка. Но ракета рассчитана на полет при огромных скоростях, она должна выдерживать большие инерционные перегрузки, возникающие в таком полете. Кроме того, на ракете установлены двигатели, сложное приборное оборудование, система управления в полете. Все это значительно увеличивает ее вес.
Современные скоростные самолеты становятся похожими на снаряды.
Конечно, ракета имеет гораздо большие размеры, что позволяет создать относительно более легкую конструкцию; в ней могут быть применены и специальные прочные и легкие материалы. Однако только при использовании предложенных Циолковским составных ракет можно добиться того, чтобы на 1 килограмм веса ракеты, который она будет иметь после выработки всего топлива, приходились многие десятки килограммов веса топлива при взлете, что необходимо для осуществления космического полета. А идея Цандера использовать части конструкции ракеты в качестве топлива может увеличить это отношение еще во много раз.
Вот почему астронавтику интересует больше всего то направление развития реактивных летательных аппаратов, которое связано с совершенствованием конструкции составных ракет, накоплением опыта их эксплуатации, осуществлением все более высотных и дальних полетов этих ракет, сначала без людей, а потом с людьми.
Одной из важнейших проблем является создание новых материалов, из которых будут строиться межпланетные корабли. Материалы должны быть прочными, легкими, жаростойкими. Вряд ли для этой цели пригодятся алюминиевые и магниевые сплавы, являющиеся в настоящее время основными конструкционными материалами в авиации. Если эти сплавы и найдут применение на межпланетном корабле, то только для различных вспомогательных целей. Основными материалами будут, по-видимому, новые сплавы, созданные металлургами, и новые пластмассы, созданные химиками. Вероятно, на межпланетном корабле найдут широкое применение специальные высокожаропрочные стали, новые керамические материальна также комбинации тех и других — для участков корабля, которые, будут подвергаться особенно сильному нагреву в полете.
Каковы возможности применения на межпланетном корабле новых, необычных еще сегодня материалов, можно видеть хотя бы на примере стекла. Не исключено, что многие части космических кораблей и даже вся его обшивка будут изготовлены именно из стекла. Конечно, это будет не обычное, всем хорошо известное стекло. В последние годы созданы замечательные сорта стекла, обладающие многими ценными качествами для астронавтики. Так, например, в США создано стекло, имеющее в отличие от обычного кристаллическую структуру. Это стекло тверже стали, легче алюминия, в 15 раз прочнее обычного стекла, причем эту свою твердость оно не теряет даже при нагреве до 700 °C; его температура плавления близка к температуре плавления железа. Из такого стекла можно изготовить даже такие детали, как лопатки турбин. Новое стекло может быть сделано как прозрачным, так и непрозрачным. Вот почему можно представить целиком стеклянный космический корабль будущего с прозрачными стенками пассажирской кабины…
Конечно, почетное место в конструкция межпланетного корабля займут металлы. Так, несомненно, будут использованы титановые сплавы, получающие все большее применение в современной авиации. Большое будущее принадлежит, вероятно, сплавам бериллия — исключительно легкого материала (почти вдвое более легкого, чем алюминий: его удельный вес равен всего 1,83) и в то же время очень прочного, выносящего высокие температуры. Большую роль может сыграть и литий — самый легкий металл, вдвое более легкий, чем вода. Будут служить астронавтике и многие редкие металлы — такие, как цирконий, гафний, ниобий и другие. Создание новых жаропрочных и легких материалов для астронавтики — сложнейшая научная и инженерная задача, требующая длительных и упорных исследований. Можно не сомневаться, что она будет решена — наука дает металлургам все большие возможности переходить от поисков на ощупь, наугад, по интуиции, которые были характерны для недалекого прошлого, к уверенному инженерному «проектированию» новых конструкционных материалов с заданными, иной раз самыми необычными, свойствами.
Не менее сложна и трудна задача увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя. В настоящее время эта скорость не превышает 2500–3000 метров в секунду. Увеличение скорости истечения газов происходит очень медленно и достигается ценой больших усилий. Для того чтобы добиться увеличения скорости истечения газов, приходится решать сразу две самостоятельные задачи — искать более калорийные топлива, то есть топлива, выделяющие при сгорании больше тепла, и обеспечивать работоспособность двигателя на этих топливах. Чем больше тепла выделяет топливо при сгорании в двигателе, тем больше при прочих равных условиях скорость истечения газов из двигателя.
Строительство искусственного спутника Земли.
Наибольшие скорости истечения достигаются в настоящее время обычно при использовании в качестве окислителя жидкого кислорода, а в качестве горючих — нефтепродуктов (бензин, керосин). Наименьшие — в случаях, когда окислителем служит перекись водорода или азотная кислота.
Каковы возможности увеличения скорости истечения при использовании наилучших комбинаций окислителей и горючих, которые могут быть составлены из имеющихся химических элементов?
Исследования советских и зарубежных ученых показывают, что эти возможности, в общем, весьма ограниченны. В числе перспективных топлив можно назвать, например, предложенные Кондратюком соединения фосфора и соединения кремния; предложенные Цандером и Кондратюком металлы и соединения металлов, в частности соединения металла бора с водородом, так называемые бораны, металла лития и другие — в качестве горючих; предложенный Циолковским озон, соединения фтора и некоторые другие — в качестве окислителей.
Изучение ряда новых топлив производится и в настоящее время. Они, конечно, будут применяться в будущем во многих случаях вместо современных топлив. Однако скорость истечения газов при этих топливах не будет, вероятно, превышать 4500 метров в секунду.
Мы видим, что химия бессильна решить задачу значительного увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя, ибо освобождаемая при сгорании топлив химическая энергия оказывается для этого недостаточной.
Правда, чтобы не быть несправедливым по отношению к химии, надо указать на одну возможность, хотя в настоящее время еще неизвестно, удастся ли когда-нибудь ее реализовать. Зато уж очень заманчивые перспективы сулит она астронавтике!
Эта возможность связана с так называемым атомарным топливом. Оказывается, существуют такие химические реакции, которые приводят к выделению необычайно больших количеств тепла — это реакции образования некоторых молекул из отдельных атомов. Можно представить себе, например, двигатель, в камере сгорания которого вместо обычного горения происходит реакция образования молекул водорода из его атомов. Это был бы замечательный двигатель! Во-первых, для него не нужно было бы двух различных веществ — горючего и окислителя, достаточно одного вещества — водорода. Во-вторых, скорость истечения газов из подобного двигателя могла бы превысить… 10 километров в секунду! Вот с какой огромной скоростью молекулы водорода, образовавшиеся в двигателе из атомов, вытекали бы из сопла двигателя в атмосферу. Не нужно было бы и никакой системы зажигания для такого двигателя — атомы водорода обладают, как говорят, огромной химической активностью, они стремятся слиться по два, то есть образовать молекулы.
Именно эта необычная химическая активность атомов водорода и других атомов, выделяющих при соединении в молекулы много тепла, мешает создать двигатели, работающие на атомарном топливе. Свободные атомы водорода могут существовать ничтожные доли секунды — они практически мгновенно соединяются друг с другом, образуя молекулы.
Обычно атомарный водород получают путем пропускания струи водорода через мощный электрический разряд. При этом электрическая энергия затрачивается на расщепление молекул водорода на атомы. Но как только атомы водорода покидают электрическую дугу, они немедленно образуют снова молекулы, выделяя полученную ими ранее электрическую энергию уже в виде тепла. Вот если бы можно было найти способ предотвратить это обратное воссоединение атомов в молекулы, если бы можно было научиться хранить водород в атомарном состоянии! Тогда достаточно было впустить струю атомарного водорода в камеру двигателя, чтобы в ней произошла, как говорят, рекомбинация молекул водорода и раскаленная струя вытекающего газа создала бы огромную силу тяги. С таким двигателем можно было бы добиться немалых побед в борьбе за покорение мирового пространства.
Но, увы, пока это только мечта. До последнего времени даже теоретически не было известно ни одного метода, с помощью которого можно было бы научиться хранить атомарные газы. Лишь в 1956 году появились какие-то проблески надежды: исследователи научились сохранять активные химические частицы в течение нескольких часов.[24] Для этого полученные атомарные газы сразу же подвергаются очень сильному, или, как говорят, глубокому, охлаждению. Температура их резко снижается до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Удастся ли использовать этот принцип для хранения атомарного топлива ракетных двигателей, покажет будущее.
Но и, помимо атомарного топлива, далеко не все еще ресурсы химии, не все возможности химических топлив уже использованы. Дальнейшие исследования по подбору новых, более эффективных топлив способны увеличить скорость истечения, достигнутую в настоящее время, примерно на 50 процентов. Это значительно увеличило бы скорость и дальность полета ракет, было бы крупнейшим шагом вперед в развитии реактивной техники, а значит, и важной победой в борьбе за покорение мирового пространства.
Однако, чтобы сделать такой шаг, одержать такую победу, мало найти новые, более эффективные топлива. Нужно обеспечить надежную работу двигателя на этих топливах.
Жидкостные ракетные двигатели работают в значительно более тяжелых условиях, чем любые другие двигатели: авиационные, автомобильные, судовые и проч. Поэтому жидкостные ракетные двигатели обладают меньшей надежностью, меньшей продолжительностью работы, меньшим сроком жизни. Эти тяжелые условия работы жидкостных ракетных двигателей связаны с тем, что рабочие газы в них имеют высокое давление, необычайно высокую температуру и движутся с колоссальной скоростью.
Сравнительная дальность полета ракет, работающих на различных топливах. За единицу принята дальность ракеты, работающей на бензине и азотной кислоте.
Такие условия работы жидкостных ракетных двигателей делают исключительно важной и сложной проблему их охлаждения. Газы, заполняющие двигатель при давлении в десятки атмосфер и температуре 3000° и даже больше, движутся относительно стенок двигателя, со скоростью, во много раз превышающей в некоторых частях двигателя, например в сопле, скорость звука. Естественно, что стенкам двигателя каждую секунду передается огромное количество тепла. Если это тепло не отводить от стенок двигателя, то они очень быстро прогорят и двигатель моментально выйдет из строя. Ведь не известен ни один материал, который мог бы выдержать такие температуры при подобных давлениях. Вот почему для жидкостных ракетных двигателей важнейшим условием их надежности является хорошая система охлаждения.
Уже сейчас некоторые более калорийные сорта топлива не удается применять из-за трудностей, связанных с охлаждением двигателей. Это объясняется тем, что при использовании более калорийных топлив увеличивается и температура газов в камере сгорания. Именно поэтому, например, двигатель дальней ракеты, описанной в главе 6, работает не на чистом спирте, а на спирте с добавкой 25 процентов воды. Эта добавка снижает температуру газов и облегчает охлаждение, хотя она ухудшает характеристики двигателя, уменьшая его тягу почти на 20 процентов — на 5 тонн.
Понятно, что применение новых, гораздо более калорийных топлив, необходимых для космических кораблей, требует существенного усовершенствования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей.
Одним из перспективных методов охлаждения является так называемое проникающее охлаждение, или «охлаждение выпотеванием», как его иногда называют. В этом случае стенки жидкостного ракетного двигателя изготовляются пористыми, с бесчисленным множеством крохотных отверстий диаметром в тысячные доли миллиметра. Через эти отверстия внутрь двигателя проходит специальная охлаждающая жидкость. При таком методе охлаждения внутренняя поверхность стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, покрывается сплошным тонким слоем охлаждающей жидкости, защищающим стенку от перегрева. Стенки как бы «потеют», откуда и произошло название этой системы охлаждения. Возможно, что наиболее горячие части двигателей космических кораблей будут иметь именно такое охлаждение.
Исследования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей ведутся в настоящее время весьма интенсивно. Можно надеяться, что двигатели межпланетных кораблей будут вполне надежно работать в течение нескольких минут или, самое большое, нескольких десятков минут (больше заведомо не потребуется) и на более калорийных топливах будущего.
Конечно, для этого, кроме проблемы охлаждения, придется решить немало других сложных инженерных и научных проблем. Достаточно упомянуть, например, о такой задаче, волнующей в настоящее время ученых и конструкторов жидкостных ракетных двигателей, как обеспечение устойчивого горения, борьба с так называемым пульсационным, или вибрационным, сгоранием. При подобном сгорании в камере двигателя возникают сильные, иногда быстрые, а иногда сравнительно медленные, колебания давления горящих газов. Даже за очень короткое время это может вызвать прогорание стенок камеры, разрушение топливной системы двигателя, полный выход его из строя, не говоря уже о том, что такое сгорание приводит к резкому снижению развиваемой двигателем тяги. К сожалению, изучение явлений, происходящих в двигателе при неустойчивом сгорании, представляет собой исключительно сложную теоретическую и экспериментальную задачу, а ведь без такого изучения невозможно и создание надежного двигателя. Неудивительно, что известнейшие ученые в области автоматического регулирования, сгорания, теории движения газов с огромными скоростями, математики, физики, как и лучшие конструкторы и инженеры, трудятся над решением этой и других задач, связанных с созданием двигателя для межпланетных кораблей будущего.
Так как обычные химические топлива содержат в себе недостаточно энергии для того, чтобы обеспечить скорость истечения газов, необходимую для совершения космических полетов, то понятен интерес, который проявляется учеными, работающими в области астронавтики, к другим возможным источникам энергии, помимо химической. И, конечно, на первом плане стоит проблема использования атомной энергии.
Но вовсе нет нужды ждать, пока будет создан атомный двигатель, пока астронавтикой будет освоено использование атомной энергии, чтобы начать штурм мирового пространства.
Все, что мы знаем о современной реактивной технике, свидетельствует о наличии уже сейчас реальных возможностей для начала такого штурма.
Первым результатам этого штурма и планам дальнейших атак посвящена третья часть нашей книги.