ЯДЕРНАЯ РАКЕТА


ГЛАВА 3

ЯДЕРНАЯ РАКЕТА

Итак, мы знаем, что может дать космонавтике химия. Несмотря на первые замечательные победы космонавтики и значительные еще неиспользованные ресурсы химии, межпланетный полет человека с ее помощью в настоящее время невозможен. И хотя в будущем некоторые простейшие межпланетные полеты и смогли бы быть совершены 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. Только полная убежденность в отсутствии иных путей достижения заветной цели могла бы в более отдаленном будущем заставить объединенное человечество пойти на использование этого единственного, расточительного способа.

Такой вывод является следствием относительно малой величины химической энергии и других ограничений ее использования, о которых шла речь в прошлой главе. Конечно, мы можем говорить именно об относительной величине химической энергии по сравнению с работой, которая должна быть затрачена для совершения межпланетного полета. Сама по себе эта энергия вовсе не так мала. Действительно, один килограмм лучшего современного ракетного топлива способен выделить при сгорании примерно 4000 ккал тепла. Одна килокалория тепловой энергии эквивалентна 427 килограммометрам механической работы (так называемый механический эквивалент тепла). Но это значит, что тепла, выделяющегося при сгорании одного килограмма топлива, достаточно, чтобы поднять массу в 1 кг на высоту 4000 • 427 ~ 1700 км, считая поле земного тяготения постоянным (в действительности эта высота будет больше 2300 км). Такую же работу совершает,

например, подъемный кран, поднимая с земли на уровень четвертого этажа строящегося дома груз в 150—170 г.

Известно, что работа отрыва, т. е. удаления 1 кг массы с поверхности Земли в бесконечность, как это должно произойти при всех межпланетных полетах, эквивалентна перенесению этой массы на высоту, равную земному радиусу, т. е. примерно 6400 км, в постоянном поле земного тяготения. Это значит, что для отрыва от Земли 1 кг массы межпланетного корабля теоретически потребовалось бы менее 4 кг ракетного топлива.

В действительности, конечно, при реальном взлете межпланетного корабля 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, т. е. 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 в виде живой силы вытекающих из двигателя газбв и не затрачивается для разгона взлетающей ракеты. Часть энергии уходит на подъем самого же топлива в поле земного тяготения, что также является потерей. Приходится преодолевать сопротивление земной атмосферы, имеют место так называемые гравитационные потери, связанные с работой двигателя ракеты, взлетающей в поле земного тяготения, и т. д.

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 таких ракет. С помощью химической энергии нельзя получить необходимые космонавтике высокие значения удельного импульса, что позволило бы значительно увеличить полезную нагрузку при той же взлетной массе.

Как же можно преодолеть этот «барьер удельного им-, пульса» на пути человека в космос?

Здесь существуют по крайней мере две возможности. Одна из них, о которой пойдет речь в этой главе, совершенно очевидна: это — использование энергии атомного ядра, Ведь чтобы сообщить одному килограмму массы вто-

рую космическую скорость для совершения межпланетного полета, нужна энергия примерно 4 кг лучшего химического ракетного топлива, но ту же энергию в состоянии выделить крупинка ядерного горючего — урана с массой меньше миллиграмма! Естественно стремление использовать могучую атомную энергию для осуществления заветной мечты человека о полете в космос.

Атомная, или, точнее, внутриядерная энергия, как и энергия химическая, представляет собой энергию связи. Однако если в основе химической энергии лежат электрические силы связи между электронной оболочкой и ядром атома, то атомная энергия есть проявление действия иных сил связи, существующих внутри атомного ядра. Эти внутриядерные силы, природа Которых не является электрической и до сих пор еще не до конца изучена, соединяют, связывают воедино, все внутриядерные частицы, так называемые нуклоны. Именно им обязаны своим существованием и, как правило, необыкновенной прочностью ядра атома. Не будь этих сил связи, находящиеся внутри ядра положительно заряженные протоны разлетелись бы с огромной скоростью во все стороны, вызвав этим распад, взрыв ядра.

Силы электростатического отталкивания, возникающие между протонами в ядре, очень велики, ибо расстояния между протонами ничтожно малы. Так как эти расстояния в сотни тысяч раз меньше, чем между ядром атома и его электронной оболочкой, то существующие в ядре электростатические силы отталкивания, обратно пропорциональные по величине квадрату расстояния между зарядами (т. е. в данном случае между протонами в ядре), в миллиарды раз больше. Очевидно, что внутриядерные силы связи должны иметь такой же или даже больший порядок величины. Не удивительно, что и атомная энергия, являющаяся результатом действия этих сил связи, также во много, обычно в миллионы раз, больше химической.

Как указывалось выше, химическая энергия выделяется в ходе, химической реакции в результате перестройки электронной оболочки реагирующих молекул. Она представляет собой избыток энергии химической связи, выделяющейся в тех случаях, когда конечные молекулы продуктов реакции оказываются более прочными, более «компактными», чем исходные молекулы, вследствие чего их энергия связи больше. Аналогично этому атомная энергия

выделяется в ходе ядерных реакций, сопровождающихся такой перестройкой ядер, когда вновь образованные ядра более прочны, более «компактны», чем исходные. В соответствии с этим и атомная энергия представляет собой также избыток энергии связи, выделяющейся, когда энергия внутриядерной связи новых атомов оказывается больше, чем у исходных. В обоих случаях энергия связи выделяется, когда силы связи совершают работу, и

Рис. 12. Внутриядерная энергия выделяется в двух противоположных по характеру ядерных реакциях (Proc. Phys. Soc., v. 89, стр. 189, 1966).

затрачивается, когда совершается работа против этих сил. Поэтому-то энергия выделяется, когда частицы, о которых идет речь — молекулы в одном случае и ядра атомов в другом, — становятся более «компактными». Но так как совершающие работу силы в обоих случаях оказываются весьма различными по величине, то, несмотря даже на значительно меньшие расстояния, т. е. меньший путь, на котором совершают свою работу внутриядерные силы (ведь работа есть произведение силы на путь), атомная энергия оказывается во много раз больше химической. Так атом приходит на помощь молекуле, когда требуются неизмеримо большие источники энергий.

Чего же может ждать космонавтика от этой помощи?

Как известно, атомная энергия может выделяться в результате ядерных реакций двух типов, диаметрально противоположных по характеру (рис. 12): в одном случае в результате реакции образуются более простые,

в другом — более сложные атомные ядра, хотя в обеих реакциях изменение энергии внутриядерной связи оказывается качественно одним и тем же — она выделяется, Реакции, в ходе которых происходит слияние простых атомных ядер в более сложные, т. е. синтез ядер, носят название термоядерных. Именно они являются источником колоссальной энергии, излучаемой звездами, в том числе и нашим Солнцем. В этой звездной реакции четыре ядра водорода, сливаясь, образуют одно ядро атома гелия. Помните, как рекомбинация двух атомов водорода с образованием водородной молекулы приводит к выделению рекордно большого количества энергии, что заставляет ракетчиков и космонавтов мечтать об использовании атомарного водорода в качестве ракетного топлива? И те же атомы водорода могут слиться еще более тесно, так, чтобы их ядра сблизились на ничтожно малое расстояние с образованием из них одного, общего ядра. В этом случае выделяется энергия в миллионы раз большая. Однако науке удалось пока искусственно осуществить термоядерные реакции только взрывного характера — они используются в так называемом водородном атомном оружии. В направлении осуществления управляемых термоядерных реакций, которые могли бы быть положены в основу ядерной энергетики, ведутся интенсивные исследования, причем ведущую роль в этом отношении играет советская наука.

Как известно, в основу всех этих исследований положена блестящая мысль советских физиков А. Сахарова и И. Тамма, высказанная ими еще в 1960 г., об использовании так называемой «магнитной бутылки» для содержания в ней раскаленной плазмы, в которой должна идти термоядерная реакция. Чтобы эта реакция пошла, плазму нужно нагреть до немыслимой температуры в сотни миллионов градусов, а затем удержать ее в этом состоянии заметное время; изоляция стенок реактора от контакта с плазмой (такой контакт смертелен не только для стенок, но и для самой реакции, что гораздо хуже) может быть осуществлена только с помощью мощного магнитного поля. Кстати сказать, для создания такого поля придется, вероятно, использовать электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, например, из ванадий-галлиевого сплава), *)

*) Missiles and Rockets, 24. VI. 1963.

так как иначе затрата электроэнергии будет чрезмерно большой.

Главная трудность на пути практической реализации этой смелой идеи связана с феноменальной неустойчивостью плазменного шнура, и именно в этом направлении ведутся основные исследования советских и зарубежных ученых. Советским ученым удалось получить «долгоживущую» плазму температурой в несколько миллионов градусов)» что позволяет надеяться на успешное решение в будущем этой сложнейшей научной и инженерной задачи, имеющей столь большое значение для судеб человечества, что его трудно переоценить. Однако пока эта задача не решена, и космонавтика ограничивается лишь различными теоретическими исследованиями и предварительными проектными разработками будущих термоядерных ракет, показывающими, сколь велика может быть их роль в будущем освоении космического пространства.

Науке известны различные типы термоядерных реакций, которые могли бы найти применение в космических термоядерных ракетных двигателях будущего, например, реакции синтеза ядер дейтерия, дейтерия и трития, дейтерия и гелия-3 (рис. 13). Считается), что наиболее подходящей для этой цели является последняя реакция, поскольку она не связана с излучением нейтронов и потому не требует особо тяжелой защитной экранировки реактора. Нагретое до огромных температур рабочее вещество должно вытекать в термоядерном ракетном двигателе из реактора через «горлышко» магнитной бутылки, создавая реактивную струю. В принципе просто, но о конструкции такого двигателя говорить пока рано, хотя на страницах зарубежной печати можно найти различные более или менее детально проработанные проекты подобного рода. Несомненно, однако, что реальные планы использования внутриядерной энергии на службе космонавтике должны строиться пока на ядерных реакциях другого типа.

В противоположность ядерным реакциям синтеза в этих реакциях атомная энергия выделяется в результате распада сложных атомных ядер на более простые. В космонавтике могут быть использованы все известные ядерные

ДеавД»> 4 октября 1969 г.

о о I Лпресс-нформация «Астронавтика и

28. X. 1964, № 40, реф. 183.

4 К. А. Гильзин

ракетодинамика»,

реакции этого вида, как управляемая реакция цепного деления атомов урана или плутония, лежащая в основе всей современной атомной энергетики, так и неуправляемые процессы радиоактивного распада. В первом случае выделяющаяся атомная энергия заключена главным образом в энергии движения продуктов деления, т. е. атомных

Дейтерии Дейтерий Тритий

<

\п I и ,

Дейтерий Дейтерий Гелий-3

Протон

Нейтрон

/7 1 н

Дейтерий Тритий

Дейтерий Гелий-3

Протон

Рис. 13. Термоядерные реакции синтеза для ракетных двигателей.

ядер, образующихся в результате распада атомных ядер урана или плутония, а также в энергии излучения, сопровождающего такой распад. В случае радиоактивного распада почти вся выделяющаяся атомная энергия связана с излучением, как корпускулярным (альфа и бета-частицы и др.), так и лучистым (гамма-лучи).

Понятно, что для использования в ракетной технике более подходит хорошо изученная и освоенная управляемая реакция деления ядер урана или плутония. Ведь только в этом случае удается пока воздействовать на ход ядер-ной реакции и таким образом регулировать скорость вы-

деления атомной энергии, т. е. величину этой энергии, что, естественно, чрезвычайно важно. Однако вполне возможно создание и ядерного ракетного двигателя на основе радиоактивного распада (о таких двигателях будет подробнее рассказано ниже, см. стр. 136).

В результате каждого единичного акта ядерного деления осколки разделившегося атомного ядра разлетаются в противоположные стороны под действием возникающей между ними электростатической силы отталкивания (ведь оба осколка заряжены положительно). Скорость этого разлета очень велика, порядка 10—15 тыс. км! сек. Если все эти хаотично движущиеся во все стороны и мчащиеся с огромной скоростью атомные ядра — осколки деления, образующиеся в ходе цепной реакции, заставить двигаться организованно, в одном общем для них всех направлё-нии, то было бы возможно создание ракетного двигателя с удельным импульсом порядка 10 сек. Это было бы решающей победой в штурме «барьера удельного импульса», открыло бы широчайшие перспективы перед космонавтикой.

Однако создание такого атомного ракетного двигателя не представляется возможным—не зря его часто называют в литературе «псевдоракетой». И дело не только в том, что организация движения продуктов ядерной реакции, подобно тому как это происходит в обычных термохимических ракетных двигателях с продуктами реакции сгорания топлива, пока не осуществлена. Здесь возникает и еще одна трудность принципиального характера. Она связана с ограничением максимально возможной тяги подобного двигателя.

В случае термохимических двигателей тяга двигателя может быть практически сколь угодно большой. Как указывалось выше, уже существуют двигатели тягой в сотни тонн, а разрабатываются и еще более мощные.

Суть дела здесь в том, что увеличение тяги термохимического двигателя достигается путем простого увеличения его размеров. Интенсивность рабочего процесса в двигателе при этом практически не изменяется, в частности, неизменной сохраняется и температура газов в двигателе. Это и не удивительно: увеличение тяги в этом случае не связано ведь с возрастанием удельного импульса увеличивается только секундный расход вытекающих газов. Пожалуй, наиболее серьезной проблемой, связанной

* 99

с увеличением размеров жидкостного ракетного двигателя, являются интенсивные колебания давления, возникающие в камере сгорания двигателя больших размеров. Однако эта трудность не носит принципиального характера и с успехом преодолевается учеными и конструкторами.

Иное дело «псевдоракетный» атомный двигатель. Ведь в этом случае возрастает именно удельный импульс. Но при этом происходит и резкое увеличение интенсивности рабочего процесса двигателя, в частности, его тепловой нагрузки — в таком двигателе развиваются чрезмерно высокие температуры.

Частицы вещества в двигателе — продукты ядерной реакции — движутся с колоссальной скоростью, соответствующей температурам во многие миллионы градусов. В результате мириадов ударов этих частиц о стенки двигателя последние почти мгновенно... испарятся! Чтобы двигатель был работоспособным при столь большой скорости движения частиц, нужно сильно уменьшить число этих частиц, т. е. соответственно в миллионы раз уменьшить тягу двигателя. Вот почему «псевдоракетный» двигатель мог бы работать лишь при ничтожно малой тяге. Правда, в космонавтике могут оказаться полезными в некоторых случаях и двигатели столь малой тяги, об этом будет идти речь ниже. Но очевидно, что заменить существующие термохимические ракетные двигатели, развивающие по необходимости колоссальную тягу, эти атомные двигатели не смогут.

Значит ли это, что мощные атомные ракетные двигатели вообще невозможны? Нет, вовсе не значит. Но применение атомной энергии в ракетной технике требует новых методов использования этой энергии, радикально отличающихся от методов использования химической энергии в обычных термохимических двигателях.

Это радикальное отличие заключается в необходимости разделения источника энергии и рабочего вещества, создающего тягу в двигателе. Значение такого разделения столь велико для всего последующего, что о нем стоит сказать подробнее.

Как известно, в обычных термохимических ракетных двигателях источником используемой в двигателе химической энергии является само рабочее вещество, истечение которого из двигателя создает тягу (иногда это вещество называют поэтому «отбросной массой»). Это обстоятельно

ство является огромным достоинством таких двигателей, ибо устраняет необходимость в каком-либо специальном механизме подвода энергии от ее источника к рабочему веществу. Но, как мы видели, в нем скрыт и принципиальный недостаток, связанный с ограничением достижимой величины удельного импульса.

Понятно, что разделение источника энергии и рабочего вещества позволило бы снять эти ограничения или по крайней мере некоторые из них. Но зато двигатель по Необходимости стал бы более сложным и тяжелым в связи с появлением устройств подвода энергии к рабочему телу. Так, выигрывая в одном, мы проигрываем в другом.

Легко видеть, каким должно быть принципиальное устройство мощного атомного ракетного двигателя, основанного на использовании указанной идеи разделения источника энергии и рабочего вещества. Очевидно, источником энергии должен служить в этом случае атомный реактор, или «котел» (рис. 14), например, подобный используемым на атомных электростанциях, атомном ледоколе «Ленин» и в других аналогичных случаях. В таком котле атомная энергия преобразуется в тепловую и сообщается какому-либо веществу, которое используется для охлаждения котла. Это вещество, нагретое в котле до высокой температуры, и может служить непосредственно «отбросной массой» ракетного двигателя, т. е. вытекать из него наружу, создавая реактивную тягу.

Какие же преимущества в отношении увеличения импульса двигателя может дать такое разделение источника энергии и рабочего вещества?



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм