Глава XX. Межпланетная «электричка» — космический транспорт будущего

Глава XX. Межпланетная «электричка» — космический транспорт будущего

В этой главе, последней в книге, речь идет о «космических тихоходах» — электрических межпланетных кораблях будущего, которым суждено стать основным средством дальних космических сообщений.

Представьте себе на московских улицах странный экипаж. Он может внешне ничем не отличаться от снующих мимо автомобилей, но все же несомненно вызовет всеобщий оживленный интерес.

Давайте понаблюдаем за нашим гипотетическим экипажем. Вот он замер перед красным огоньком светофора в ряду других машин. Внимание, красный цвет сменился желтым, потом зеленым — путь открыт. Стоящие рядом автомашины словно срываются с места и уносятся вдаль, но наш «подопечный» недвижим. Пешеходы оглядываются, водители стоящих сзади машин, чертыхаясь, объезжают злополучный экипаж, вот уже и страж порядка — орудовец не спеша направляется к нарушителю движения. Дело, кажется, пахнет штрафом, а то и проколом талона».

Но мы замечаем, что экипаж не стоит более на месте, он двинулся и постепенно выбирается в самый центр перекрестка. Видимо, водителю удалось все-таки запустить двигатель и устранить неполадки. Но почему его машина движется так удивительно медленно?

Снова мигнул глазок светофора, движение опять остановлено, а странный автомобиль все еще на перекрестке и движется прямо на красный свет. Кажется, уличного скандала все же не избежать. Остановившийся было милиционер решительно двинулся снова вперед, его лицо побагровело от гнева — что за безобразие на подведомственном ему перекрестке!

А экипаж тем временем неспешно, едва заметно продвигается вперед. За первую секунду движения он переместился, оказывается, всего на полмиллиметра, понятно, что он казался неподвижным, хотя тронулся с места одновременно с соседними автомобилями. За вторую секунду экипаж прошел полтора миллиметра, за третью еще на миллиметр больше, то есть два с половиной миллиметра, за четвертую — опять на миллиметр больше и т. д.

Судя по этому, экипаж движется равноускоренно, с постоянным ускорением, равным 1 мм/сек², то есть в 10 000 раз меньшим, чем ускорение свободно падающего тела. Неудивительно, что при столь малой скорости движения экипаж надолго застрял на перекрестке, вызвав справедливый гнев регулировщика.

Чтобы объехать на подобной машине вокруг Москвы даже по новой кольцевой автомобильной дороге, где совсем нет светофоров, понадобилось бы, чего доброго, несколько месяцев. Кому нужен такой, по меньшей мере, странный автомобиль, уличный «тихоход»?

Не диким ли покажется после этого утверждение, что/экипажи такого рода станут в будущем основным видом сообщения по дорогам… космоса? Что именно им суждено решить проблему межпланетных сообщений и превратиться в рейсовые линейные машины космических трасс?

Это в космосе-то, где проходимые пути в тысячи и миллионы раз больше, чем протяженность московской кольцевой дороги?! Какой абсурд!

И все же это так. Чтобы убедиться в этом, совершим на нашем необычном автомобиле поездку по кольцевой дороге вокруг Москвы. Рискнем даже превратить эту поездку в своеобразную гонку, для чего вызовем на соревнование какую-нибудь новенькую «Волгу». Смешно, конечно, улитка — и «Волга», но… попробуем. Запасемся терпением и продуктами в расчете на длительное путешествие (ведь мы-то на «улитке») — и в путь.

За первую минуту после старта гонки мы проедем на своем «тихоходе» (вспомните, что он движется равноускоренно, так что его скорость возрастает каждую секунду на 1 миллиметр в секунду) всего 1,8 метра, тогда как «Волга» умчится почти на километр. Обескураживающее начало… Правда, путь, пройденный за каждую следующую минуту, будет возрастать на 3,6 метра, но ведь впереди-то 109 километров — такова протяженность московского окружного автомобильного «проспекта».

Однако мы условились запастись терпением. Через час наше расстояние от места старта составит примерно 6,5 километра, «Волга» же пройдет половину всего пути, даже если ее скорость будет равна всего 55 километрам в час. И все же наша средняя скорость за этот первый час оказалась уже намного больше, чем у улитки, она примерно равна скорости пешехода. Все-таки прогресс.

Ободренные подобным оборотом дела, продолжим гонку, учитывая, что каждый следующий час мы будем проезжать на 13 километров больше, чем за предыдущий, — таков закон нашего равноускоренного движения. После четырех часов непрерывной езды мы закончим дистанцию и прибудем к месту старта. Если соревнующаяся с нами «Волга» не прекратит гонки после финиша, то второй раз она финиширует одновременно с нами, пройдя вместо одного — два круга.

И все же продолжительность поездки оказалась неожиданно не такой большой — вместо предполагавшихся нескольких месяцев всего 4 часа. Во всяком случае, запасы продовольствия пока остались неприкосновенными. Медленнее, конечно, чем «Волга», но… терпимо — средняя скорость нашего движения равнялась примерно 26 километрам в час.

А что, если продолжить проигранную на первых этапах гонку? Двинемся-ка дальше, не теряя надежды, хотя у наших соперников целый круг фору. И действительно, на девятом часу гонки мы наконец нагоним соперников. А с этого момента наше превосходство будет становиться все более подавляющим: ведь они проезжают каждый час все те же 55 километров, а мы непрерывно увеличиваем скорость своего движения. К исходу первых суток длительной гонки мы финишируем в 34-й раз, тогда как соперники сумеют сделать это только 12 раз. Разгром!

«Московская кругосветка» — гонка «тихохода» с «Волгой».

Интересно, что к этому моменту непрерывно возрастающая скорость нашего движения превысит 300 километров в час. Куда там «Волга»! В действительности, вероятно, с подобной скоростью по кольцевой дороге нам ездить не разрешат, она лишь иллюстрирует замечательные возможности равноускоренного движения, даже если величина ускорения очень мала.

Помните древнюю легенду о мудреце, который изобрел игру в шахматы, и радже, предложившем ему за это любую награду? Раджа был очень удивлен, когда мудрец попросил всего лишь горстку пшеничных зерен: одно зерно на первую клетку шахматной доски, два — на вторую, четыре — на третью, и т. д., все время удваивая количество зерен, пока не будет заполнена последняя, 64-я клетка. Но уплатить обещанное раджа не смог — нужного количества зерен нельзя было бы собрать во всем его государстве. Таково коварное свойство геометрической прогрессии, использованное мудрецом.

Не таит ли в себе и наш «уличный тихоход» нечто от этого свойства? Ведь переход от ничтожной скорости в начале до огромной — в конце гонки оказался неожиданно быстрым.

Естественна мысль о возможности использования равноускоренного движения в космических полетах. Конечно, межпланетная ракета — не «Волга», ведь уже достигнуты космические скорости порядка 40 000 километров в час. Так что скорость, которую приобрел наш «тихоход» после суточной гонки, все еще во много раз меньше необходимой. Разгон «тихохода» до космической скорости должен длиться гораздо дольше, примерно 130 суток. Не многовато ли?

А пожалуй, и нет. Правда, космическая ракета набирает нужную скорость всего за несколько минут с того мгновения, как она отрывается от пускового стола. Но ведь затем она летит с неработающими двигателями многие часы, дни, а иногда и месяцы подряд. Времени в космосе, как видно, много, дело не за ним. Пожалуй, и не скажешь, что же лучше — сразу разогнать ракету до нужной космической скорости или же разгонять ее постепенно, используя «космический тихоход»..

А что значит — лучше? Спросите любого автомобилиста, он вам ответит, что лучше та машина, которая расходует меньше топлива на километр пути. То же скажет и летчик о самолете. Расходом топлива определяют в этих случаях экономичность, совершенство машины. Чем лучше экономичность, тем дальше с тем же запасом топлива уедет автомобиль, улетит самолет. Если нужно увеличить дальность, придется вместо полезного груза брать с собой в путь лишнее топливо. Так обстоит дело на Земле.

А в космосе? Разумеется, и здесь расход топлива играет важную роль, пожалуй, решающую. И не потому, что космическое ракетное топливо гораздо дороже обычного или что общая затрата его на совершение полета велика, отчего каждый процент экономии становится весьма весомым.

Главное в другом. Если во всех видах земного транспорта нехватку топлива обычно можно восполнить заправкой в пути, то для космического полета это пока еще только мечта. Правда, идея Циолковского о космических «заправочных колонках», мчащихся вокруг Земли по орбитам искусственных спутников и служащих для пополнения опустевших баков космических кораблей, стартующих с Земли, несомненно будет осуществлена. Мало того, ее осуществление не за горами. Уже не только исследуются многочисленные связанные с ней проблемы, но и готовятся различные эксперименты в космосе (например, в США — опыты с двухместными кораблями-спутниками «Джеминай», в ходе которых предполагается произвести стыковку двух выведенных на орбиту космических аппаратов).

Но все же пока таких космических заправочных станций нет. Да и если они будут созданы, то это только несколько облегчит задачу, но не решит ее до конца. Ибо даже в случае, когда межпланетный корабль стартует с орбитальной станции, заполнив на ней свои топливные баки, потребное количество топлива на борту корабля все же оказывается чрезмерно большим. Что поделаешь, так велика затрата энергии на разрыв цепей тяготения, оттого-то энергия — ключ к космосу. И, кстати сказать, особенно возрастает затрата топлива, когда полет должен длиться меньше времени, — курьерские сообщения в космосе достанутся дорогой ценой.

Поэтому-то расход топлива в космосе играет решающую роль. Величина потребного запаса топлива на борту обычно сразу показывает, можно ли вообще осуществить данный полет, и если можно, то каким может быть полезный груз на корабле, то есть какова практическая целесообразность полета. Легко видеть, какое значение имеет даже небольшое уменьшение потребного запаса топлива, — ведь сейчас вес полезного груза на корабле в несколько десятков, а то и в сотни раз меньше веса топлива. Значит, уменьшение запаса топлива всего на 1 % может удвоить вес полезного груза! На Земле ничего подобного не бывает.

Так что же, в конце концов, выгоднее с точки зрения затраты топлива- обычная современная ракета или «космический тихоход»?

Наша гонка вокруг Москвы не дает ответа на этот вопрос, хотя бы потому, что взлет космической ракеты осуществляется, как известно, вертикально вверх. Поэтому соревнование «тихохода» с такой ракетой должно представлять собой уже гонку по вертикали, что вносит существенные поправки.

Чтобы ракета оторвалась от пускового стола и взлетела, на нее должна действовать вверх сила, превосходящая собственный вес ракеты. Такой силой является реактивная тяга двигателя — сила реакции вытекающей из него струи газов. Если эта сила будет в точности равна весу ракеты, то ракета не взлетит или же, взлетев, повиснет неподвижно в воздухе, подобно вертолету. Чуть возрастет сила — и ракета станет подниматься. Если сила постоянна, то и ускорение ракеты будет постоянным (если не учитывать изменения массы ракеты из-за расходования топлива, а также влияния сопротивления воздуха), то есть ракета будет двигаться равноускоренно. Но ведь именно таков закон движения «тихохода». Разве ракета и есть «тихоход»?

Действительно, в самом начале взлетающая ракета движется с очень небольшой скоростью, как и наш «тихоход». Создается даже впечатление, будто она и не движется вовсе, а находится в каком-то раздумье: не то взлетать, не то нет. Но потом она летит все быстрее, и очень скоро ее след тает в небе. Это стремительное нарастание скорости объясняется тем, что обычно сила тяги значительно превосходит вес ракеты. Помните, какие огромные перегрузки действовали на наших космонавтов в кабине корабля «Восток» в момент взлета? Увеличенный в несколько раз собственный вес вжимал, вдавливал их в сиденье. Это объяснялось тем, что ускорение ракеты в несколько раз превосходило ускорение свободного падения тел, то есть то нормальное ускорение силы тяжести, с которым связано появление обычного веса каждого из нас здесь, на Земле.

Если, например, вес взлетающей ракеты равен 100 тоннам, а сила тяги двигателя равна 200 тоннам, то и вес космонавта при взлете будет из-за перегрузки вдвое больше обычного, а ракета будет взлетать вверх с ускорением, равным нормальному, — скорость ракеты будет возрастать каждую секунду на 10 метров в секунду. Обратите внимание, это важно — ускорение взлетающей ракеты не в два раза больше обычного, а только равно ему, хотя перегрузка равна двум. Это легко объяснимо: чтобы ракета не падала вниз под действием силы тяжести, двигатель должен создавать тягу, равную весу ракеты. Значит, эта тяга не будет создавать ускорения ракеты, хотя топливо будет расходоваться. Только тяга, избыточная над весом, начнет разгон ракеты.

Но зачем нужно осуществлять разгон ракеты с таким большим ускорением, если перегрузки очень неприятно действуют на космонавтов да и на ракету тоже? Не лучше ли не торопиться й несколько увеличить продолжительность взлета, хотя бы, например, вдвое? Кстати, это будет выгоднее и потому, что понадобится менее мощный, а следовательно, и более легкий двигатель, да и вес ракеты будет меньше. Что же этому мешает?

Может быть, ракетные двигатели не в состоянии работать вдвое большее время, допустим, не 5–6, а 10–12 минут подряд? Действительно, создание таких долгоработающих двигателей — сложная задача, ибо ракетные двигатели работают в невиданно сложных условиях, не встречающихся в двигателях других типов. Но все же современная ракетная техника в состоянии создать нужные двигатели.

Тогда, может быть, нельзя осуществить такой замедленный взлет потому, что трудно управлять медленно взлетающей ракетой? Действительно, это очень плохо, что в течение большого времени после старта ракета движется с очень малой скоростью. Ведь даже небольшой порыв ветра может оказаться в этом случае губительным. И все же и с этой трудностью современная техника тоже может справиться.

Выходит, можно попробовать устроить нужную нам гонку по вертикали. Вот стоят рядышком на пусковых столах обычная ракета и наш «тихоход». Мерно отсчитывает метроном секунды: «…Три… Два… Один… Старт!» Первые мгновения оба соревнующиеся аппарата движутся, кажется, одинаково медленно, затем дело резко меняется — ведь ускорение «тихохода» (мы его считаем прежним) в 30 000 раз меньше, чем ракеты, если для нее оно равно 30 м/сек?. Прошла минута, и ракета, давно скрывшаяся в небе, мчится уже со скоростью 1,8 километра в секунду, тогда как скорость «тихохода» равна всего 6 сантиметрам в секунду. За эту минуту он поднимется всего на 1,8 сантиметра, а ракета умчится на 54 километра. Но нас теперь все это уже не пугает, мы знаем, что «тихоход» похож на улитку только в начале пути, а потом берет свое. Кто же все-таки победит в соревновании?

Мы догадываемся, что в конце концов победа будет на стороне того, кто совершит взлет с меньшей затратой топлива, и начинаем думать, что тут-то победителем окажется «тихоход» — иначе зачем было автору рассказывать все это? Но оказывается, что «тихоход» безнадежно проиграет…

Помните, ваше внимание было специально обращено на несоответствие между тягой и ускорением взлетающей ракеты? Когда двигатель ракеты развивает тягу, в точности равную весу, то хотя он ежесекундно поглощает целую реку топлива, ракета будет висеть в воздухе неподвижно, опираясь на огненный водопад вытекающих из двигателя газов. Стоит чуть увеличить тягу, и ракета тронется вверх, появится ускорение. Неудивительно, что при малом ускорении, как в случае «тихохода», оно достается ценой очень большой траты топлива, — так сильно сказывается обязательный «довесок» в виде расхода топлива на создание тяги, равной весу ракеты. Когда ускорение возрастает, то относительное влияние этого «довеска» становится, естественно, меньше. Следовательно, уменьшается и затрата топлива на единицу ускорения ракеты (ученые говорят, что уменьшаются гравитационные потери при взлете).

Если весь взлет с разгоном ракеты осуществляется вертикально, то «тихоход» затратит на него примерно в 7500 раз больше топлива, чем ракета. Такой взлет не просто невыгоден, он, невозможен. Выходит, вертикальную гонку «тихоход» действительно проигрывает по всем статьям…

Значит, идея применения «тихохода» в космосе абсурдна?

Конечно, рассказ этот ведется не зря, на «тихоходах» еще рано ставить крест. Прежде всего, вертикальный взлет космических ракет длится, в общем, недолго. Как только они пересекают нижние, плотные слои атмосферы, так тотчас же переходят с вертикального на наклонный, а затем и горизонтальный полет. Собственно, невыгодный вертикальный взлет и нужен лишь для того, чтобы как можно быстрее пересечь толщу плотной атмосферы, полет в которой связан, в свою очередь, со значительными дополнительными потерями топлива на преодоление сопротивления воздуха. Но как только плотный воздух позади, можно переходить на полет по горизонтали, когда вредное действие земного тяготения уже не сказывается и гравитационные потери отсутствуют. Тут уже можно бы найти применение и «тихоходу», но все же он будет уступать обычной ракете.

Область, где «тихоход» ни в чем не уступит, иная. Представьте себе, что космический корабль уже вышел на орбиту искусственного спутника Земли. Позади — трудный взлет, атмосфера, перегрузки. Достигнута орбитальная, или первая космическая скорость. Теперь уже, если двигатель будет выключен, корабль станет бесконечно долго обращаться вокруг Земли. А если снова включить двигатель? Раз двигатель уже не должен своей тягой компенсировать вес корабля и преодолевать сопротивление воздуха, то любая, даже самая небольшая тяга вызовет ускорение. «Довеска», о котором говорилось выше, более не будет.

Значит, тут уже нет необходимости в сверхмощных ракетных двигателях, развивающих тягу в сотни тонн и поглощающих ежесекундно тонны топлива. Даже самый крохотный двигатель с тягой, меньшей веса корабля в тысячи раз, заставит корабль двигаться с ускорением (вспомните космические «каравеллы», о которых шла речь в предыдущей главе). И пусть это ускорение будет очень небольшим, все же со временем оно сильно увеличит скорость корабля, например, до скорости отрыва, когда корабль полностью разорвет цепи земного тяготения и отправится в межпланетный полет, от орбиты вокруг Земли к орбите вокруг Марса или другой планеты назначения. В таком межорбитном полете действительно годится и «тихоход», тут уж вовсе не обязательно разгонять корабль быстро, можно и медленно.

Но разве медленно — значит лучше? Верно, что двигатели малой тяги будут проще и надежнее, но ведь зато они должны будут работать уже не минуты, а многие дни и месяцы подряд. Они будут, естественно, легче и меньше по размерам, но и это не решающее обстоятельство. Главное, конечно, как будет обстоять дело с расходом топлива. И здесь-то мы подходим к самому существенному.

Оказывается, расход топлива на полет не будет зависеть от того, как долго он продолжается. Еще Циолковский установил, что не тяга двигателя и не продолжительность его работы, а скорость истечения газов из двигателя — вот что, прежде всего, определяет затрату топлива на полет. Почему так?

Потому, что чем меньше скорость истечения, тем больше должен быть расход топлива для получения той же тяги. Любая сила, в том числе и тяга двигателя, есть произведение массы на величину изменения скорости за время действия силы. Один и тот же толчок заставит катиться легкий алюминиевый шарик быстрее, чем тяжелый стальной. Выплюньте вишневую косточку — она полетит с большой скоростью, потому что ее масса мала. Но та же сила (ибо действие равно противодействию, и косточка действует на вас с той же силой, что и вы на нее) даже не сдвинет вас с места — ваша масса велика.

Если каждую секунду из двигателя вытекает один килограмм газов со скоростью 1000 метров в секунду, то сила тяги будет равняться 1000 ньютонам (или примерно 100 килограммам). Если же скорость истечения возрастет до 2000 метров в секунду, то для сохранения тяги расход газов должен уменьшиться вдвое, то есть до 0,5 килограмма. Значит, самый простой и прямой путь уменьшения расхода топлива — увеличение скорости истечения.

Но это тривиальная истина, и вся история ракетной техники — это, в значительной мерю, борьба за увеличение скорости истечения. К сожалению, успехи, одержанные на этом фронте, весьма скромны. По существу, скорость истечения газов из лучших современных двигателей превышает эту скорость в самых ранних двигателях не более чем в полтора раза. За тридцать лет — и всего в полтора раза!

Это, конечно, не случайно, и, что хуже всего, даже перспективы на будущее здесь тоже, в общем, весьма скромны. Рост еще раза в полтора — это, пожалуй, максимум, на который можно рассчитывать. Больше, чем примерно 4500 метров в секунду, самый лучший ракетный двигатель дать, очевидно, не сможет. Но, значит, этим устанавливается и предел для экономии топлива со всеми вытекающими отсюда последствиями, прежде всего, в отношении величины полезного груза, а также длительности полета. Так на пути человека в космос возникает незримый «барьер скорости истечения».

Природа этого барьера, представляющего собой главное препятствие дальнейшему освоению космоса и организации межпланетных сообщений, заключается в особенностях химической энергии ракетных топлив. Это топливо выполняет в двигателе сразу две различные функции, играет двойную роль. С одной стороны, топливо — источник энергии, его химическая энергия выделяется в двигателе и в результате происходящих в нем рабочих процессов преобразуется в конце концов в кинетическую энергию струи газов. Но, с другой стороны, топливо, или точнее — продукты его сгорания, являются и источником массы, тем рабочим веществом, истечение которого из двигателя непосредственно создает тягу. Поскольку величина химической энергии ограниченна, а состав вытекающих из двигателя газов определяется характером химической реакции сгорания, то есть не может быть избран произвольно по желанию конструктора, то ограниченной оказывается и величина предельно достижимой скорости истечения.

Правда, возможности химии здесь использованы пока еще далеко не полностью, впереди, несомненно, новые замечательные победы, которые с помощью химии одержит ракетная техника. Но все же ясно, что «барьер скорости истечения» химии взять не удастся. Вот так же в свое время развитие авиации подписало смертный приговор поршневым двигателям, хотя авиация обязана им многими успехами. Поршневые авиационные двигатели спасовали перед «звуковым барьером», химические ракетные двигатели пасуют теперь перед «барьером скорости истечения», перекрывающим путь в глубины космоса.

Один возможный способ преодоления встретившейся трудности напрашивается сам собой. Если суть дела — в совмещении функций химического топлива, то нельзя ли отказаться от такого «совместительства»? Нельзя ли отделить источник энергии от источника массы, то есть рабочего вещества? Правда, такое разделение потребует введения в двигатель специального механизма для подвода энергии к рабочему веществу, механизма, от которого так счастливо избавлены существующие «химические» двигатели, — именно это делает их такими небольшими и легкими. Но, хочешь выиграть в одном, мирись с проигрышем в другом. Если введение подобного передаточного механизма, хоть и весьма нежелательного, позволит существенно увеличить скорость истечения, то плата за это может оказаться приемлемой.

Однако, прежде всего нужно найти новый источник энергии, более мощной, чем химическая. Первая мысль в этой связи — о внутриядерной энергии атомов, в миллионы раз большей химической. Действительно, если бы удалось эффективно сообщить удачно избранному рабочему веществу, например водороду, энергию, таящуюся в ядрах атомов урана и некоторых других химических элементов, то проблема «барьера скорости истечения» была бы, по существу, снята. Однако практически реализовать эту возможность, к сожалению, исключительно трудно, если не невозможно. Основная трудность — именно в механизме передачи атомной энергии рабочему веществу.

Проектов здесь много, некоторые из них были рассмотрены выше, в главе VI, но нужно заметить, что, в общем, все они далеки и от реализации, и от совершенства. По наиболее распространенному мнению специалистов, атомные ракетные двигатели позволят увеличить скорость истечения по сравнению с химическими примерно вдвое. Подобные двигатели будут наверняка созданы, ибо это сильно расширит возможности астронавтики. И все же «барьер скорости истечения» взят с их помощью не будет, он будет лишь несколько отодвинут.

В атомных ракетных двигателях, как и в обычных химических, для достижения высокой скорости истечения рабочее вещество нагревается до весьма высокой температуры. Такой нагрев происходит либо в ходе химической реакции, либо же в атомном реакторе, в котором рабочее вещество получает тепло, выделяющееся в результате ядерных реакций.

Но науке известна еще одна чудодейственная природная сила, способная нагреть газ до колоссальных температур, это — сила электрическая. С помощью электричества даже в производстве удается получать температуру в десятки тысяч градусов, — кто не слышал об электрической дуге, применяющейся, например, при сварке металлов?

«Барьер скорости истечения».

В лабораториях же, в частности, в работах по управляемым термоядерным реакциям, мощный электрический разряд в газе превращает его в плазму, то есть в смесь электрически заряженных частиц — электронов и ионов, нагретую до температуры в миллионы и десятки миллионов градусов. При такой температуре и скорость истечения может быть практически как угодно большой. Уж не открывается ли здесь туннель в «барьере скорости истечения»?

Впрочем, электричество знает и иные пути разгона заряженных частиц до колоссальных скоростей, помимо высокой температуры. Хорошо известны, например, силы, возникающие между электрическим проводником, в котором течет ток, и окружающим его магнитным полем, — на использовании этих сил зиждется бесконечное число разнообразных электрических двигателей, верно служащих человеку. Но поскольку сильно нагретый газ превращается в токопроводящую плазму, то, воздействуя на эту плазму, по которой течет ток, магнитными полями, можно заставить ее двигаться с очень большой скоростью и вытекать наружу из ракетного двигателя.

Кстати сказать, как обычный электродвигатель легко может быть превращен в генератор тока, так и здесь движение струи плазмы между полюсами магнитов может привести к возникновению электрического тока в цепи, соединяющей омываемые плазмой электроды. На этом принципе устроены так называемые магнитогидродинамические генераторы тока, не имеющие, в отличие от обычных динамо-машин, никаких движущихся частей и обладающие существенно большим коэффициентом полезного действия. Не зря с этими МГД-генераторами, как их называют, связывают перспективы грядущей революции в области электроэнергетики.

Хорошо известен и еще один метод разгона заряженных частиц с помощью электричества до колоссальных, субсветовых скоростей. Этот метод используется в целой армаде разнообразных ускорителей элементарных частиц в лабораториях ядерной физики. Названия подобных ускорителей — циклотрон, синхрофазотрон и другие — стали своеобразным символом нашего атомно-космического века. В вакууме рабочей камеры ускорителей разгон элементарных частиц — электронов, протонов и других — осуществляется электростатическим полем, действующим на основе хорошо известного каждому школьнику закона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Нельзя ли использовать тот же метод и для разгона рабочего вещества ракетного двигателя?

Что же, все три указанных метода, с помощью которых электричество в состоянии ускорить частицы рабочего вещества, действительно исследуются и даже уже используются ракетной техникой. Создаются и испытываются разные типы электрических ракетных двигателей, делящихся на три группы в зависимости от примененного метода разгона. Об этих двигателях уже упоминалось выше, в главе VI, в которой шла речь о новых типах «экзотических» реактивных двигателей.

В электротермических (или электродуговых) ракетных двигателях рабочее вещество нагревается до высокой температуры в электрической дуге, а затем вытекает с большой скоростью, расширяясь в реактивном сопле обычного типа.

В плазменных (или электромагнитных, еще — магнитогидродинамических) ракетных двигателях созданная тем или иным способом плазма рабочего вещества разгоняется до очень больших скоростей путем взаимодействия с электромагнитным полем.

В ионных (или электростатических) ракетных двигателях, более подробно описанных в главе VI, частицы рабочего вещества сначала ионизируются, то есть приобретают электрический заряд, а затем разгоняются до весьма больших скоростей в электрическом поле.

Как бы ни были устроены электрические ракетные двигатели космического корабля, на его борту должен находиться источник электрического тока для питания двигателей. Это, конечно, очень неприятная особенность электрических межпланетных кораблей, ибо в обычных химических двигателях «энергостанция» как бы находится внутри самого двигателя, в его камере сгорания. Здесь же нужна специальная установка, в которой должна генерироваться электрическая энергия за счет расходования энергии какого-нибудь другого вида.

В общем случае возможны три вида такой энергии — химическая, атомная и солнечная. Но легко видеть, что для электростанции достаточно большой мощности ни химическая, ни солнечная энергия не годится. Первая требует слишком больших количеств топлива на борту корабля, и мы возвращаемся, таким образом, и в сильно ухудшенном виде, к основным недостаткам обычных ракетных двигателей. Вторая просто недостаточна по величине, ее улавливание в больших количествах требует столь огромных поверхностей солнечных коллекторов, что становится практически неприемлемым.

Только атомные реакторы, широко применяющиеся уже на атомных электростанциях, атомных надводных и подводных судах, могут решить задачу. Конечно, это должны быть специально спроектированные легкие и мощные реакторы, но по характеру происходящих ядерных реакций они будут такими же. Эти реакторы будут основой атомной электростанции, питающей электрические ракетные двигатели корабля.

Но одного реактора мало. Как преобразовать выделяющееся в нем тепло в электрическую энергию? Такие преобразователи могут быть различными по типу, даже если говорить только об уже разрабатываемых. Наиболее реально, по крайней мере на первое время, применение обычного турбогенераторного преобразователя, как и во всех других уже существующих атомных силовых установках. В этом случае какое-либо рабочее вещество (правда, не вода, как обычно, а, вероятно, некоторые расплавленные металлы, например натрий, или калий, или же ртуть) испаряется в атомном реакторе, затем расширяется, производя полезную работу, в турбине, приводящей во вращение электрогенератор, и наконец снова превращается в жидкость в огромном конденсаторе-радиаторе, отдавая тепло конденсации излучением в космос.

В будущем же более вероятно использование различных методов непосредственного, безмашинного преобразования тепла, выделяющегося в атомном реакторе, в электроэнергию. Тут могут найти применение термоэлектрические, термоэмиссионные и другие преобразователи, в которых используются многие новые достижения современной физики.

Так или иначе, атомная электростанция будет непрерывно подавать по проводам ток в электроракетный двигатель корабля, в котором чудесная сила электричества создаст стремительную реактивную струю вытекающих из двигателя частиц. Сам по себе этот двигатель — » ускоритель частиц и представляет собой третью (после атомного реактора и преобразователя энергии), основную, заключительную часть электроракетной силовой установки межпланетного корабля.

Мы лишь вскользь упомянули о необходимой большой мощности бортовой космйческой электростанции корабля. Однако это замечание не просто заслуживает расшифровки, но и касается, пожалуй, самого уязвимого места электроракетных двигателей.

Проект атомной электроракетной автоматической межпланетной станции (США). Внизу — принципиальная схема атомной электроракетной силовой установки (по журналу «Микеникел инжиниринг», август 1962 г.).

Легко видеть, что мощность бортовой электростанции должна быть больше, чем полезная мощность самого двигателя, — ведь неизбежны различные потери мощности. Но отвлечемся, простоты ради, от потерь и будем считать, что эти мощности одинаковы. Какова же их величина?

Обычно, когда речь идет о всем многоликом и обширном семействе реактивных двигателей, то о мощности не упоминают вовсе. Это об автомобильном, тепловозном, судовом двигателе, не говоря уже об установленном на электростанции или где-нибудь на заводе, разговор начинают всегда с мощности. В таких случаях мощность — первая и главная характеристика двигателя, ибо он и предназначается именно для того, чтобы развивать мощность на валу.

Другое дело — реактивный двигатель. Его задача — создавать реактивную тягу, и величина тяги есть основная характеристика любого такого двигателя. Мощностью же реактивного двигателя обычно интересуются разве что в каких-либо специальных случаях.

Но электрические ракетные двигатели нуждаются в бортовой электростанции, ничем принципиально не отличающейся от любой другой, земной. Естественно, что основной характеристикой такой станции должна быть мощность. Потребная величина этой мощности полностью определяется мощностью самого ракетного двигателя — как видите, здесь уж, хочешь не хочешь, приходится интересоваться такой мало привычной для ракетной техники величиной, как мощность двигателя.

Полезная мощность ракетного двигателя равна той кинетической энергии, которую несет с собой струя вытекающих из двигателя газов. Ведь именно в эту энергию переходит в результате работы двигателя расходуемая в нем энергия какого-либо другого вида — химическая, ядерная или электрическая. Но, как известно, кинетическая, или скоростная, энергия струи газов определяется (при неизменном количестве этих газов) квадратом скорости газов в струе. Когда скорость возрастает вдвое, кинетическая энергия струи и, следовательно, мощность двигателя увеличивается в 4 раза.

Это делает совершенно очевидной следующую роковую закономерность: если при прежней тяге скорость истечения возросла, то настолько же возрастет и мощность двигателя. Понятно, почему такая закономерность является действительно роковой. Ведь мы заботимся о преодолении «барьера скорости истечения», то есть о всемерном увеличении этой скорости, что, оказывается, неизбежно связано со столь же быстрым увеличением мощности.

Помните сообщение о величине мощности двигателей советской ракеты, с помощью которой был выведен на орбиту космический корабль-спутник «Восток» с Ю. А. Гагариным на борту? Эта мощность равнялась 20 миллионам лошадиных сил. Если сохранить величину тяги двигателей и увеличить скорость истечения, допустим, в 100 раз (примерно такова непосредственная цель электроракетных двигателей), то мощность возрастет до 2 миллиардов лошадиных сил! Стоит ли говорить о том, что подобную мощность, в сотни раз превосходящую мощность крупнейших ГЭС, вроде Братской, бортовая электростанция иметь не может?

Как же быть? Неужели туннель в «барьере», о котором мы мечтали, оказался призрачным?

Нет, один путь преодоления трудности, возникшей в связи с потребной мощностью, все же есть. Он заключается в уменьшении тяги двигателя с тем, чтобы, несмотря на рост скорости истечения, мощность не только не возрастала, но даже и уменьшалась. И вот тут-то мы снова возвращаемся к мысли об использовании «тихохода». Ведь в космосе, как уже отмечалось, нет необходимости в большой тяге. Там пригодны и очень малые тяги, создающие ничтожные ускорения корабля, то есть превращающие его в космический «тихоход». Выходит, преодоление «барьера» под силу «тихоходу»!

Чтобы ускорение равнялось 1 мм/сек? как в нашей гонке вокруг Москвы, двигатель космического «тихохода» должен развивать тягу, в 10 ООО раз меньшую его веса (то есть веса корабля, который он имел бы на Земле), следовательно, тягу в 1 килограмм на каждые 10 тонн веса. На корабле весом 10 тонн (пока еще такой вес не достигнут астронавтикой) должен быть установлен именно такой двигатель тягой всего 1 килограмм. Отличие от современных мощных ракетных двигателей разительное.

Электроракетный двигатель тягой 1 килограмм потребует наличия на борту корабля электростанции мощностью в сотни и даже тысячи киловатт. И это, конечно, много, но уже приемлемо. Так появляется реальная возможность использования «тихохода» для межпланетных сообщений.

Электрические корабли — ионолеты, плазмолеты и другие — оказываются, пожалуй, единственным средством преодоления «барьера скорости истечения» и совершения межпланетных рейсов с большим полезным грузом. Некоторые из этих кораблей могут позволить совершить и простейшие межзвездные перелеты, что особенно важно в виду пока еще чрезмерной проблематичности фотонных ракет, в которых вместо вещества из двигателя «вытекает» луч света, то есть поток фотонов. Как известно, скорость света, равная 300 000 километров в секунду, является максимально возможной в природе, вследствие чего фотонный двигатель, о котором также шла речь в главе VI, обеспечивает самое радикальное решение проблемы «барьера скорости истечения» и, таким образом, максимальную величину полезного груза. Это был бы идеальный звездолет, если бы он мог быть… создан. Пока фотонная ракета — не более чем интересная теоретическая перспектива. А электрические ракетные двигатели уже испытываются на стендах…

С помощью межпланетной тихоходной «электрички» станут возможными космические полеты, которые не под силу обычным ракетам. Прежде всего это касается, конечно, величины полезного груза: она может быть в десятки раз больше, чем на обычных ракетах; вряд ли есть нужда подчеркивать все значение этого для астронавтики, оно поистине решающе. Но не только это. Если в полете на Луну «электрический тихоход» сильно уступает обычной ракете в отношении продолжительности полета, то уже в полете к Марсу и Венере длительность окажется примерно одинаковой. Что же касается более дальних рейсов — к Юпитеру, Меркурию, Сатурну и еще дальше, то здесь «электричка» окажется значительно расторопней: она обгонит обычный ракетный «экспресс» в пути, как наш «тихоход» обогнал «Волгу». Полет же к окраинам солнечной системы или, например, с выходом из плоскости эклиптики практически возможен лишь с помощью такой «электрички».

Так межпланетная «электричка-тихоход» превращается в единственное потенциально пригодное средство осуществления дальних межпланетных перелетов. Да и не только их одних — во многих случаях она в состоянии выполнить задачу космического полета гораздо лучше, чем обычная ракета. Так будет, например, обстоять дело с организацией грузовых перевозок на Луну или на высокорасположенные орбиты, по которым станут двигаться большие населенные спутники Земли.

Межпланетный полет космического электрического «тихохода» (рисунок атомного ионолета по проекту Локхид. Ядерный реактор не имеет экранировки и поэтому светится при работе).

Появление «межпланетной электрички» будет означать революцию в астронавтике, станет новым, качественным скачком на пути человека в космос. Неудивительно, что этим космическим «тихоходам» и их электрическим ракетным двигателям ученые уделяют столь большое внимание. Создаются, изучаются и испытываются десятки типов подобных двигателей. Характерно, что в США часто утешают себя на страницах специальной и общей прессы, что, уступив Советскому Союзу первенство в области космических ракет, они возьмут реванш, когда в космос выйдут электрические ракеты. Это должно произойти, по их мнению, в будущем десятилетии. Что ж, посмотрим, какое оно будет, это десятилетие..

Несомненно одно: пройдет несколько лет, и от орбитальной станции-спутника, обращающегося вокруг Земли (вспомните Терру, описанную в главе XVIII), возьмет старт на Марс или Венеру, подобно тому как это уже происходило с советскими автоматическими межпланетными станциями в 1961 и 1962 годах, новая автоматическая станция, на этот раз — электрическая. Сначала много суток станция будет описывать вокруг Земли витки полого расходящейся спирали, а затем перейдет на такую же спираль вокруг Солнца. Почти год будет лететь станция, и все это время или, во всяком случае, значительную часть его будет работать электрический ракетный двигатель. Чуть светящаяся, прозрачная струя электрически заряженных частиц, вытекающих из двигателя, сначала будет слабо-слабо, но зато непрерывно толкать вперед станцию, разгоняя ее до очень большой скорости, гораздо большей, чем для обычной ракеты. А потом столько же времени двигатель будет тормозить станцию, снижая скорость до необходимой для того, чтобы перейти снова на спираль, но теперь уже полого накручивающуюся на планету — цель назначения.

Функции между «локомотивами Вселенной» будут поделены.

Взлет — дело мощных химических или атомных ракет.

Полет — задача электрических «тихоходов».

Сначала, естественно, такая станция будет автоматической, потом последуют обитаемые электрические межпланетные корабли, а затем и весь космический межпланетный транспорт станет электрическим. Только взлет с Земли и планет, а также посадка будут по-прежнему происходить с помощью грандиозных сверхмощных ракет с обычными химическими или атомными двигателями.

Так будут поделены функции между различными «локомотивами Вселенной»: обычные ракеты-«тепловозы» (ведь химический ракетный двигатель — тепловой) останутся в качестве «маневровых», а на далекие космические магистрали выйдет «межпланетная электричка».

* * *

Как ни безгранична тема рассказа об авиации и астронавтике будущего, автору приходится закончить его. Однако сделать этого нельзя, не упомянув о тех, кто сегодня создает это будущее.

Наверное, многие читатели, особенно юные, не раз с завистью смотрели на тех, кто по-хозяйски входит в проходные авиационных заводов. Там, в цехах и конструкторских бюро, воплощаются в жизнь дерзновенные мечты, там творится будущее.

Однако не только за этими стенами создается будущее авиации. Как часто мы проходим мимо самых обычных и, кажется, хорошо знакомых зданий вовсе «не авиационных» заводов, институтов, лабораторий. А ведь и здесь творят авиацию завтрашнего дня. Ибо ее будущее находится в руках огромного коллектива людей, связанных общим делом.

Оно в руках математика, разрабатывающего новые отрасли своей науки, без которой невозможен дальнейший прогресс авиации; бьющегося над решением сложной задачи, вставшей перед конструкторами авиационного завода; создающего электронную математическую машину, нужную работникам конструкторского бюро, завода и экспериментальной лаборатории.

Оно в руках физика, делающего новые открытия в этой науке, являющейся «матерью» всей современной техники, открытия, которые лягут в основу многих замечательных летательных аппаратов будущего, разрабатывающего принципы создания атомных двигателей, изучающего законы прочности металлов.

Оно и в руках химика, создающего новые топлива для реактивных двигателей, «конструирующего» новые пластмассы с заранее заданными, нужными авиации свойствами.

И в руках металлурга, варящего невиданный доселе сплав.

И в руках радиотехника, прибориста, строителя, текстильщика, биолога, врача — в руках сотен и сотен людей всех специальностей. Ведь современная авиация и реактивная техника — это, в конечном счете, вершина прогресса всех отраслей науки и техники; они создаются коллективным трудом работников разных областей науки и промышленности.

Одно, главное, роднит всех этих людей, хотя они и не знают друг друга. Это — их творческий труд, смелые дерзания, покушение на самые, казалось бы, непререкаемые каноны, глубокое проникновение в «суть вещей».

Вот почему всякий, кто мечтает трудиться в области авиационной и реактивной техники, кто хочет посвятить жизнь этому увлекательному, творческому труду, все равно — за лабораторным столом, чертежной доской или токарным станком, — должен не только глубоко изучать уже достигнутое наукой и техникой, но и воспитывать в себе «творческую жилку», нетерпимость к рутине, любовь к новому, передовому.

Для восьмилетней школы

Гильзин Карл Александрович

В НЕБЕ ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ