ОТНОШЕНИЕ МАСС

^{Увеселительная пороховая ракета — предшественник двигателей будущих космических кораблей.}

Циолковский вывел основную формулу движения ракеты. Анализ этой формулы показывает, что ракета в космическом пространстве может развить поистине беспредельную скорость. Но для этого она должна израсходовать очень много горючего.

Попробуем разобраться в этом вопросе подробнее.

Вот с космодрома взлетает наш космический корабль. Он огромен и тяжел. С ревом и грохотом вырываются из его кормовых дюз толстые столбы пламени — раскаленных газов, движущихся в сотни раз быстрее урагана. На этих столбах, словно на ходулях, поднимается он над космодромом, все ускоряя свое движение. Вот уже ходули оторвались от Земли, он уже стремительно летит в небо, оставляя за собой огненный след. Через несколько минут он достигнет границы атмосферы, затем разовьет параболическую скорость и тут будет выключен двигатель. Большую часть дальнейшего пути до соседней планеты космический корабль совершит фактически по инерции, хотя на него будут действовать силы притяжения Земли, Солнца и планет.

Совершенно очевидно, что в момент отрыва от Земли корабль весил значительно больше, чем к концу работы реактивных двигателей. Ведь за это время сгорело огромное количество топлива, освобожденная энергия которого и разогнала корабль до космической скорости. Математик назвал бы наш космический корабль «телом переменной массы».

Конечная скорость корабля зависит от массы сгоревшего топлива и скорости истечения газов горения из сопла.

Чем больше скорость вытекающих газов, тем большую скорость разовьет ракета при том же самом количестве сгоревшего топлива.

Теоретически при использовании в качестве горючих сжиженных водорода и кислорода можно было бы получить скорость истечения в 3650 метров в секунду. Но практически в настоящее время на используемых топливах достигнуты скорости в 2000–2500 метров в секунду. Вероятно, путем напряженной работы, используя более калорийные топлива, которые смогут представить нам химики, мы сможем поднять эту скорость до 3500–4000 метров в секунду.

В решении этой задачи придется принять участие ученым разных специальностей. Химикам надо будет выбрать горючее, найти способы его рационального сжигания, теплотехникам — разработать форму камеры сгорания и выхлопного сопла, металлургам — найти жаропрочные и жаростойкие сплавы, отсутствие которых очень тормозит в настоящее время работы по повышению скорости вылетающей струи газов, конструкторам надо будет разработать эффективные системы охлаждения деталей двигателя.

Кроме скорости истечения и массы сгоревшего топлива, конечная скорость ракеты, взлетающей с Земли, зависит от интенсивности сжигания этого топлива, от того, в течение какого времени работал реактивный двигатель. Легко представить себе, что всю массу топлива можно сжечь не спеша, понемногу, газы горения с расчетной скоростью тоненькой струйкой будут вылетать из сопла, а космический корабль как стоял, так и останется стоять на Земле. Усилие, развиваемое при такой работе двигателя, недостаточно для того, чтобы преодолеть силу тяжести.

Чем стремительнее будет сгорать топливо, чем мощнее будет двигатель, тем выше будет ускорение и тем меньше придется нам сжечь топлива для достижения необходимой скорости.

Но мы уже знаем, что человеческий организм в силах переносить только определенной величины ускорение, и чем оно ниже, тем лучше для человека.

Легендарный древнегреческий поэт Гомер рассказывал, что однажды царю Одиссею пришлось плыть на своем корабле по узкому проливу, на обоих берегах которого сидело по страшному чудовищу: одно называлось Сциллой, другое — Харибдой. И оба чудовища подстерегали путешественников.

Конструктора космических кораблей подстерегает сразу несколько таких Сцилл и Харибд.

Он хотел бы увеличить скорость вытекающей из ракетного двигателя струи, но это влечет за собой повышение температуры в камере сгорания, а значит, значительно снижает долговечность двигателя.

Он хотел бы рассчитать корабль на полет с небольшим ускорением, чтобы это не отразилось на самочувствии экипажа корабля, но в этом случае он должен значительно увеличить запасы топлива.

И он с сомнением смотрит на таблицы расчетов. Вот что гласит одна из них, составленная на основании предположения, что мы нагреваем произвольным способом в камере сгорания струю водорода. Эта таблица гласит:

Если температура в камере сгорания равна 2700°, скорость истечения теоретически может достичь 6500 метров в секунду; если ее поднять до 5700°, скорость истечения можно обеспечить в 11 400 метров в секунду.

Конструктор задумчиво откладывает в сторону эту таблицу. Перед ним другая. Он смотрит на неумолимые колонки цифр:

Если при скорости истечения газов в 2000 метров в секунду мы захотим разогнать космический корабль до параболической скорости, но не допустим ускорения свыше 1,1g (около 11 метров в секунду за секунду), на каждый килограмм груза, которому мы придадим требуемую скорость, нам надо будет сжечь 143 тыс. килограммов горючего!

Это, конечно, немыслимо! Конструктор решает ухудшить условия жизни экипажа, подвергнуть людей повышенному ускорению. Пусть будет ускорение 10g (около 100 метров в секунду за секунду). Конечно, людям не легко будет перенести такое ускорение, но, во-первых, он, конструктор ракеты, приложит все усилия для того, чтобы облегчить работу экипажа в этих условиях. Он сконструирует специальные гамаки, в которых экипаж будет лежать в это время, чтобы перегрузка равномерно распределялась по всему телу. Во-вторых, ведь время действия перегрузки очень сократится по сравнению с первым вариантом. И трудно сказать еще, что легче переносит человеческий организм — небольшую, но длительную перегрузку или большую, но кратковременную.

Конструктор ищет соответствующую графу:

При той же скорости истечения газов горения, — гласит она, — равной 2000 метров в секунду, при допустимом ускорении 10g, на каждый килограмм полезного груза ракета должна сжечь 358 килограммов горючего.

Это хотя и лучше, но еще ни в какой мере не устраивает конструктора. Он знает, что самый легкий бак, который сможет вместить 358 килограммов горючего, будет весить не один, а 30–35 килограммов! Ведь даже обыкновенное ведро, содержащее 10 килограммов воды, весит около килограмма!

^{Может быть, так будет выглядеть первый обитаемый искусственный спутник Земли. Он будет снабжен реактивным двигателем 1, парашютом 2 для торможения при спуске и выдвижными крыльями 3 для планирования. Герметическая кабина астронавта из прозрачного органического стекла 4 снабжена металлическими шторами для предохранения астронавта от ожогов солнечными лучами. Большую часть объема искусственного спутника занимают баки с горючим 5 и окислителем 6 для работы реактивного двигателя в случае необходимости увеличить заторможенную сопротивлением воздуха скорость полета, а также при посадке.}

Конструктор начинает выискивать возможности повышения скорости истечения газов. Для этого надо повысить температуру в камере сгорания, а значит, найти новые высококалорийные топлива. Это влечет за собой необходимость предусмотреть интенсивное охлаждение деталей двигателя, входящих в соприкосновение с горячими газами, в первую очередь камеры сгорания и сопла. А что если сделать их пористыми и сквозь эти поры подавать, продавливать внутрь жидкое горючее? Испаряясь на поверхности этих деталей, оно будет поглощать большое количество тепла и тем самым охлаждать их. И конструктор решается увеличить скорость истечения газов до 5000 метров в секунду. Таблица, которую он держит перед глазами, сообщает ему, что:

При скорости истечения газов в 5000 метров в секунду и допустимом ускорения в 10g для того, чтобы придать требующуюся космическую скорость 1 килограмму ракеты, надо сжечь 10 килограммов топлива.

Соотношение весов получается как раз таким, как у ведра — металлического сосуда, наполненного жидкостью. Создать конструкцию тары с таким соотношением весов можно, — это будет тонкостенная жестяная бочка, наполненная горючим, но ни для двигателя, ни для пассажиров, ни для приборов ни грамма веса уже не останется. А ведь нельзя сжечь все топливо при взлете, надо его взять и с собой для посадки на планету и для возвращения на Землю. Это тоже полезный груз.

Что же делать. Дальнейшего увеличения перегрузки человеческие организмы не вынесут, — этот путь закрыт. Дальнейшего повышения скорости истечения газов горения при современном уровне техники ожидать трудно. Конструктор откладывает в сторону свои таблицы.

^{Вот как зависит количество топлива, необходимого для сообщения 1 кг массы космической скорости, от скорости истечения газов из сопла реактивного двигателя и допустимого ускорения.}

Отношение масс ракеты до взлета (ракеты с полным запасом горючего) и ракеты, набравшей уже требующуюся космическую скорость, получается при имеющихся у нас научно-технических возможностях таким, которое исключает возможность сооружения космического корабля. Железной логикой цифр конструктор доказал, что космический полет при существующем уровне развития техники невозможен.

Так ли это?