МОГУЧЕЕ СЕМЕЙСТВО


ГЛАВА 1

МОГУЧЕЕ СЕМЕЙСТВО

Принцип реактивного движения был научно сформулирован только в 17-м веке Ньютоном, однако практически он использовался людьми за многие сотни лет до этого. Разнообразные пороховые ракеты — увеселительные, или фейерверочные, сигнальные, зажигательные, боевые и другие широко применялись в древнем Китае, на Руси, в Индии и других странах. История ракет сложна и противоречива: за периодами расцвета следовали периоды почти полного забвения. И вот, наконец, на наших глазах начался столь стремительный и бурный расцвет реактивной техники, что именно ее достижения в большой мере характеризуют ныне научно-технический прогресс человечества.

Конечно, старинные пороховые ракеты столь же мало напоминают современные мощные реактивные двигатели различных типов, как древнее водяное колесо — турбины Братской ГЭС или первые самолеты — гигантский лайнер ТУ-144. Но каким бы сложным, мощным и совершенным ни был любой современный реактивный двигатель, в его основе лежит все тот же, как и в самой первой ракете, принцип прямой реакции, т. е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя «рабочего вещества», обычно — раскаленных газов.

Однако этот могучий общий ствол, принцип прямой реакции, дал жизнь огромной кроне «генеалогического дерева» семьи реактивных двигателей. В этой кроне много ветвей — и мощных (это зарекомендовавшие себя типы реактивных двигателей, уже нашедшие широкое применение), и потоньше (двигатели, только выходящие на арену практического использования), и совсем тоненьких

(разного рода экспериментальные двигатели, еще не вышедшие из стадии научных исследований). Но есть и вовсе ничтожные побеги, пока почти не заметные на этом могучем дереве-исполине. По их виду никак не скажешь, что в будущем они станут спорить с самыми большими из существующих ветвей. Между тем это именно так — за некоторыми из этих побегов, представляющих собой двигатели новых, еще не применяющихся, а иной раз и вовсе не существующих типов, большое будущее. Так говорит наука.

Ниже мы подробно познакомимся с некоторыми из этих перспективных двигателей, прежде всего с теми, которые станут сердцем межпланетных кораблей будущего. Ведь им-то в основном и посвящена книга.

Но в этой, начальной главе будут рассмотрены уже известные и зарекомендовавшие себя двигатели. Это позволит нам зате^ оценить достоинства, недостатки, возможности и ограничения таких двигателей. Вместе с тем будет облегчен и переход к рассмотрению двигателей новых типов, в которых целесообразно, естественно, сохранить все наиболее ценные и прогрессивные особенности двигателей, уже проверенных в эксплуатации. Не исключена, конечно, и возможность различных сочетаний в будущем двигателей новых и старых типов.

Однако ознакомление с существующими типами реактивных двигателей важно для нас не только поэтому. Оно позволяет установить одно чрезвычайно важное для нас обстоятельство, именно — все эти двигатели являются двигателями тепловыми.

Что это значит?

В теплотехнике тепловыми двигателями называют такие, в которых механическая работа совершается за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгорании в двигателе какого-либо топлива. К таким двигателям относятся поршневые двигатели самолетов и автомобилей, дизели судов и тепловозов, паровые машины, паровые и газовые турбины электростанций и многие другие.

Во всех этих двигателях нетрудно заметить два характерных процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем эта тепловая энергия используется для совершения механической работы. Вообще говоря, тепловая энергия может быть получена и

другим путем, не в результате сгорания топлива, а, например, так, как это происходит в солнечных^ котлах или в геотермических установках. В частности, строящаяся в Армении под Ереваном мощная солнечная гелиостанция представляет собой пример теплового двигателя, в котором не происходит сгорания топлива. Другим примером может служить электростанция на подземном тепле, сооружаемая на Камчатке. Поэтому тепловые двигатели, в которых используется химическая энергия топлива, являются лишь одной, правда, пока основной группой более широкого класса тепловых двигателей, характеризующихся тем, что в них тепло преобразуется в работу. Пожалуй, правильнее было бы называть двигатели этой группы «химическими тепловыми» (в литературе их обычно называют «термохимическими», хотя точнее был бы термин «хемотермические») или просто «химическими» ).

Вот такого рода двигателями и являются все известные и применяющиеся реактивные двигатели. Чтобы убедиться в этом, давайте заберемся мысленно внутрь какого-либо реактивного двигателя с тем, чтобы повнимательнее познакомиться с происходящими в нем физико-химическими процессами, составляющими рабочий цикл двигателя.

Начнем сразу с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива, уже создана горючая смесь. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолета, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь твердое топливо пороховых ракет. *)

*) Следует иметь в виду, однако, что возможны и такие химические двигатели, в которых химическая энергия топлива непосредственно переходит в механическую работу, т. е. двигатели не тепловые (их называют иногда хемомеханическими или хемодинамиче-скими). Прообразом подобного двигателя является мышца живого организма, представляющая собой высокоэффективное двигательное устройство (его к. п. д. приближается к 100%!) и именно поэтому привлекающая в последнее время большое внимание ученых-энер-гетиков. Вероятно, вскоре будут созданы двигатели, использующие этот принцип. Первые модели таких двигателей, конечно, примитивные, уже созданы в ряде стран. В частности, подобная модель привлекала большое внимание посетителей Всемирной выставки в Брюсселе в 1958 г.

Горючая смесь может сгорать, т. е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси.

В чем же состоит природа химической энергии, где она заключена, как выделяется? Эти вопросы не могут не возникнуть перед нами, раз мы собрались подетальнее изучить основные процессы в двигателе. Их рассмотрение пригодится нам и для дальнейшего.

Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т. е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке — источник выделяющейся химической энергии.

Впрочем, далеко не во всех, конечно, случаях химическая реакция связана с выделением энергии. Иногда энергия поглощается. Очевидно, что топливами для реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов.

Но в каких же случаях энергия при реакции выделяется, а в каких, наоборот, затрачивается? Секрет здесь в характере указанной выше перестройки электронных оболочек реагирующих молекул. Рассмотрим эти процессы в самом упрощенном виде.

Электроны обращаются вокруг атомного ядра на своих орбитах с колоссальной скоростью, образуя как бы электронное облако, окружающее ядро. Но ведь известно, что такое движение материальных частиц, в том числе, конечно, и электронов, вызывается центростремительной силой. Величина этой силы пропорциональна квадрату скорости движения и обратно пропорциональна расстоянию до центра вращения. Таким образом, центростремительная сила, удерживающая частицу на ее орбите, тем больше, чем больше скорость движения частиц вокруг центра вращения и чем меньше ее расстояние от этого центра. Так как электроны движутся вокруг ядрас огром-

ной скоростью, близкой к скорости света)» а их расстояние до ядра ничтожно мало (порядка долей ангстрема), то такое движение может вызываться только очень большой центростремительной силой по сравнению с их собственным весом.

Эта сила не позволяет электронам умчаться от ядра, сорваться с электронных оболочек. Вот так же не уносятся в мировое пространство и искусственные спутники Земли — в обоих случаях существует, очевидно, центростремительная сила, сила притяжения, удерживающая спутники и электроны на их орбитах. Как спутники, так и электроны непрерывно падают под действием этой силы к центру своего вращения: спутники — к Земле, электроны — к атомному ядру. Падают, но упасть не могут, так как, двигаясь с огромной скоростью вокруг центра вращения, непрерывно удаляются от него, как раз на столько же, на сколько приближаются к нему в процессе своего непрерывного, бесконечного падения. Именно поэтому орбиты движения оказываются круговыми или близкими к ним.

В случае искусственных спутников Земли эта сила есть сила гравитации или всемирного тяготения, в случае электронов— сила электрического притяжения. Из элементарного курса физики известно, что разноименные электрические заряды, т. е. положительный и отрицательный, притягиваются друг к другу, тогда как одноименные, например, положительный с положительным или отрицательный с отрицательным, отталкиваются. Эта так называемая ку-лонова сила электрического взаимодействия (она называется также электростатической) тем больше, чем больше величина зарядов и чем меньше расстояние между ними. Она -то и удерживает электроны на их орбитах вокруг ядра, так как ядро атома, как известно, заряжено положительно, а электроны являются элементарными «частичками» отрицательного электричества).

Поскольку в обоих наших примерах — со спутником Земли и электроном атома — силы притяжения, хотя и разные по своей природе, удерживают систему (такой *)

*) По Бору, орбитальная скорость электрона в атоме водорода равна примерно 2,2 - 10 см/сек.

) Как велика эта сила, можно судить по тому, что для всех атомов в одном грамме водорода она равна в сумме почти двум миллион нам тонн!

системой является Земля и спутник или ядро и электрон) в виде единого целого, связывают между собой части системы, то с полным правом эти силы можно называть силами связи, как это обычно и делается.

Но продолжим далее нашу, хотя и условную, аналогию между искусственным спутником Земли и электроном на их орбитах. Эта аналогия поможет нам добраться, наконец, до ответа на вопрос о природе химической энергии. При этом нужно иметь в виду, что в мире атомов и молекул, как вообще в микромире, действуют свои особые законы и представления, не похожие на обычные. Поэтому, строго говоря, никакой аналогии между атомом или молекулой и Солнечной системой не существует. Если мы пользуемся здесь, как это делается и во многих других случаях, давно отвергнутой планетарной моделью атома, то только для того, чтобы все же попытаться использовать наглядные представления макромира. Как и в данном случае, это часто дает в общем достаточно верные качественные представления и о явлениях микромира.

Хорошо известно, что для того, чтобы запустить искусственный спутник на его орбиту вокруг Земли, требуется затратить большую работу. Эта работа связана с разгоном спутника до той большой скорости, которой он должен обладать в своем движении по орбите — порядка зосьми километров в секунду, и с преодолением силы земного тяготения при подъеме спутника на высоту его орбиты. Но пусть спутник уже находится на орбите и мы теперь хотим перевести его на новую орбиту, расположенную выше первой. Для этого нам снова нужно затратить работу по преодолению силы земного тяготения — запустить спутник на большую высоту труднее. Очевидно, что работа, которую нам пришлось затратить при переводе спутника на более высоко расположенную орбиту, т. е. на преодоление сил связи (в этом случае — силы тяготения), не могла исчезнуть, пропасть вовсе; это противоречило бы закону сохранения энергии. Куда же она девалась? Эта работа пошла на увеличение потенциальной энергии спутника в поле земного тяготения (конечно, при этом нужно учитывать и изменение кинетической энергии спутника). Если бы мы возвратили спутник на исходную орбиту, то его потенциальная энергия снова уменьшилась бы до начального значения, а затраченная ранее энергия выделилась так, что нам пришлось бы отвести, отнять у

спутника этот выделившийся избыток энергии. Так это и происходит со спутниками — их постепенное снижение связано с расходованием первоначальной потенциальной энергии на преодоление воздушного сопротивления*).

Как мы видим, совершение работы против сил связи (т. е. против силы тяготения в данном случае, поскольку происходит подъем спутника на большую высоту) увеличивает потенциальную энергию системы Земля — спутник. Очевидно, что эта энергия становится максимальной в том случае, когда спутник (или любое другое тело) удаляется в бесконечность, т. е. практически на очень большое расстояние от Земли. Для этого нужно сообщить телу так называемую вторую космическую скорость, равную 11,2 км!сек, — эта задача была впервые в мире решена при запуске советской космической ракеты 2 января 1959 г.

Если же тело возвращается из бесконечности, т. е. падает с очень большого расстояния на Землю, то затраченная ранее энергия снова выделяется, ибо теперь работа уже не совершается против сил связи, наоборот, они сами совершают работу.

Величину энергии, которую нужно затратить, чтобы ранее связанную систему превратить в разрозненную, преодолев при этом противодействие сил связи, в науке принято называть энергией связи. Очевидно, что для системы, состоящей из Земли и находящегося на ее поверхности тела, энергия связи будет равна кинетической энергии тела, которому сообщена вторая космическая скорость.

Когда спутник выводится на новую, более высоко расположенную орбиту, то, очевидно, его энергия связи уменьшается, так как теперь легче удалить спутник на бесконечно большое расстояние от Земли, т. е. легче превратить ранее связанную систему в разрозненную.

Но и в случае атомного ядра с его электронной оболочкой можно проследить аналогичные по характеру процессы. Перевод любого электрона на новую орбиту, более удаленную от ядра атома (или так называемое возбуждение атома, перевод его в возбужденное состояние), очевидно, так же уменьшает энергию связи атома, как это происходило и со спутником в нашем примере. Полное же удаление электрона (т. е. отрыв его от атома) аналогично упомянутому выше случаю полета советской космической

*) И с увеличением кинетической энергии.

ракеты. Соответствующая максимальная энергия связи атом — электрон носит название энергии ионизации атома (или, соответственно, молекулы), так как при потере электрона атом превращается в ион — уже не нейтральную, а электрически заряженную частицу.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



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