К ЗВЕЗДАМ!


ГЛАВА 10

К ЗВЕЗДАМ!

Электрические межпланетные корабли... Пока они еще не существуют, но уже мало кто сомневается в том, что они обязательно появятся, более того, что за ними — будущее космонавтики. В научной литературе появляется все больше статей, посвященных электрическим ракетным двигателям и их использованию в космонавтике, число этих статей нарастает лавинообразно. Е1це недавно, лет 10—15 назад, ни один уважающий себя ученый не принял бы всерьез сообщения о том, что в строгом, академическом реферативном журнале, представляющем собой сборник рефератов о всех научных публикациях в данной отрасли знания, есть статьи о двигателях, подобных элек-троракетным. А теперь уже никого не удивляет, что в таком журнале введен даже специальный раздел под «экзотическим» названием: «Ядерные, солнечные, плазменные, ионные, фотонные ракетные двигатели». Если не в космосе, то на страницах научных журналов электроракетные двигатели успешно борются за место под Солнцем и уже основательно теснят «классические» типы ракетных двигателей. Немало вышло уже и книг, посвященных электроракетным двигателям, как за рубежом, так и в нашей стране. Большое внимание уделяется особенностям необычного полета электрических космических ракет, причем в исследованиях этого важного вопроса ведущая роль принадлежит советским ученым *.)

Видно, не за горами время, когда новь” двигатели проявят себя и на просторах космического пространства. Об

) Г родзовский, Иванов, Токарев, «Мехаш#га космического полета с малой тягой», «Наука», 1966; «Космические исследования», Акад. наук СССР, V—VI, 1967, т. 5, вып. 3, стр. 339 и др.

этом свидетельствуют не только неоспоримые теоретические преимущества электроракетных двигателей и первые успешные результаты их экспериментального исследования на лабораторных стендах, но и столь же успешное применение их на первых космических летательных аппаратах. Не менее показателен в этом отношении и огромный интерес, проявляемый к электроракетным двигателям авиа-и ракетостроительными фирмами США. В этой классической стране бизнеса «нюх» дельцов изощрен до предела, когда речь идет о появлении какой-либо новой возможности «делать доллары». Что ж удивительного в том, что уже не единицы или десятки, а сотни, может быть, даже и тысячи промышленных фирм США, во главе с левиафанами промышленного мира, крупнейшими авиационными концернами, всемерно форсируют свои исследования и разработки в области электроракетных двигателей? Ведь кто будет первым, кто раньше добьется успеха, тот сорвет «жирный» куш, получив правительственные контракты. А что это случится, теперь уже никто не сомневается!

Конечно, электроракетные двигатели никогда не заменят обычные термохимические. Они будут великолепно сотрудничать, дополняя друг друга. Во всех тех случаях, когда двигателю придется за короткое время преодолевать большие силы, действующие на ракету, — гравитационные, аэродинамические, инерционные, — незаменимыми будут двигатели большой тяги — термохимические, а в дальнейшем — ядерные. Но когда решающим будет высокий удельный импульс для увеличения полезного груза ракеты, поле боя останется за электро ракетными двигателями. Как видно, эти характеристики свидетельствуют, что по самой сути термохимические и электроракетные двигатели не враги, а союзники. Только при их совместном использовании может быть получен наибольший эффект.

Выше, в гл. 8, уже указывались основные возможности использования электроракетных двигателей в космонавтике. Если речь идет об искусственных спутниках Земли, то это—различные виды корректирования их орбит (угла

SM \

наклона,7 эксцентриситета, высоты и др.; и ориентации в пространстве, а также перевод с одной орбиты на другую; в дрюм случае электроракеты могут играть роль своеобразных космических «буксиров». В частности, например, это может оказаться очень ценным для перевода на более

высокую орбиту населенного спутника — межпланетной станции, построенной на орбите, имеющей малую высоту. Следует отметить, что в ряде* случаев — например, для спутников связи (активных ретрансляторов), навигационных и др. — применение электро ракетных двигателей оказывается особенно выгодным в связи с тем, что на таких спутниках питание разнообразной аппаратуры должно осуществляться с помощью бортовой энергетической установки. Вследствие этого одна и та же бортовая электростанция может служить поочередно для питания электро-ракетных двигателей и аппаратуры. Этим самым вес бортовой электростанции, являющейся, как указывалось выше, основной частью веса всей электроракетной двигательной установки, становится полностью или частично весом полезного груза. Понятно, что преимущество элек-троракетного двигателя по сравнению с термохимическим, таким образом, существенно возрастает.

Другое преимущество электроракетных двигателей для подобного назначения заключается в том, что они позволяют осуществлять простое включение и выключение, а также регулирование величины тяги. Так, например, в случае электротермических двигателей мощность не зависит от расхода рабочего вещества, вследствие чего простое изменение этого расхода приводит к изменению средней температуры вытекающей реактивной струи и соответственно скорости истечения; естественно, что такие двигатели должны строиться с учетом возможности регулирования расхода рабочего вещества. В свою очередь и ионные двигатели позволяют осуществлять весьма точное регулирование величины и, как отмечалось выше, направления силы тяги. Легко видеть, насколько важно это преимущество и для управления спутниками с Земли, и для так называемых верньерных ракетных двигателей космических ракет, служащих для управления их полетом. Впрочем, это достоинство электроракетных двигателей может оказаться весьма ценным и при их использовании в качестве основных двигателей межпланетных кораблей. Так, оказывается, что наивыгоднейший полет электроракетного межпланетного корабля требует не только регулирования тяги его двигателя по определенному закону, но также и строго определенного изменения удельного импульса, т. е. скорости истечения. К. счастью, для большинства электроракетных двигателей это вполне осуществимо.

Если для использования на спутниках принципиально пригодны как электроракетные, так и термохимические ракетные двигатели (причем в одних случаях выгоднее первые, а в других — вторые), то иначе обстоит дело в отношении космических ракет для межпланетных полетов. Когда эти полеты характеризуются большой идеальной скоростью, как это имеет место, например, для полетов на планеты с возвращением на Землю или полетов к внешним планетам Солнечной системы, то они могут быть совершены только с помощью электроракет. Это объясняется чрезмерно большой затратой обычных химических топлив на такие полеты из-за малого удельного импульса термохимических двигателей. Поэтому стартовая масса корабля получается чрезмерно большой.

То же относится и к продолжительности полета, ибо если его целью являются «окраинные» районы Солнечной системы, то продолжительность полета термохимических ракет становится, как указывалось выше, чрезмерно большой (расплата за полет с неработающим двигателем!), тогда как в случае электроракет она оказывается уже приемлемой.

Большие преимущества связаны с использованием электроракет для целей грузовых перевозок, например, к населенным орбитальным станциям, поселениям на Луне и др. Конечно, и в этом случае речь может идти лишь о полетах с низкорасположенной околоземной орбиты на такую же орбиту вокруг Луны. Размах подобных грузовых перевозок как при строительстве этих космических баз, так и впоследствии для снабжения их населения может оказаться очень большим. Понятно, как важно осуществлять их с минимальными затратами топлива.

Насколько велики в этом отношении преимущества грузовых электроракет, видно из примера, приведенного Штулингером *). При полезной нагрузке 100 г масса расходуемого на полет рабочего вещества составит всего 19 т! Это составляет меньше 20% (в будущем доля полезного груза может достичь даже 90%), тогда как в случае термохимической ракеты соответствующая величина составила бы сотни, если не тысячи процентов. Правда, продолжительность полета к Луне с возвращением составит примерно 2 месяца, но это не имеет решающего значения.

*) Astronautics, I, 1961.

Вот что значит удельный импульс ионного двигателя 8000 сек, принятый в этом расчете.

Конечно, электроракеты обладают не одними только достоинствами. Так, например, малая тяга ЭРД и связанная с ней большая продолжительность разгона, происходящего в поле тяготения, приводят к увеличению так называемых гравитационных потерь. Это в свою очередь вызывает увеличение характеристической скорости и соответственно расхода энергии (и рабочего вещества) на совершение полета. Во многих случаях увеличенный удельный импульс с лихвой перекрывает это увеличение расхода рабочего вещества, однако это требует тщательного рассмотрения в каждом конкретном случае. В частности, это обстоятельство ограничивает величину минимального допустимого начального ускорения — при слишком малых ускорениях возрастание характеристической скорости из-за гравитационных потерь становится чрезмерным. Так, по данным некоторых зарубежных авторов, при полете к Луне минимальная величина ускорения составляет 10-2 g, при полете к Марсу и Венере 10-4 g, при полете к дальним планетам 10-5 g. Однако приводятся и меньшие значения.

Если бы электроракеты были в состоянии развивать большую по величине тягу, то их применение было бы значительно более выгодным. В этой связи, между прочим, стоит упомянуть одну указывающуюся в зарубежной литературе возможность улучшения характеристик электроракеты. Если, допустим, речь идет о переводе спутника на более высокую орбиту, то выгоднее было бы осуществлять разгон не все время. Применяя аккумулирование электроэнергии, например, в батареях на участках орбиты вблизи ее апогея, когда действие тяги двигателя менее эффективно с точки зрения разгона ракеты, можно было бы затем использовать накопленную энергию для создания увеличенной импульсной тяги двигателя на участке орбиты у ее перигея, где разгон, как это показал еще Ф. А. Цандер, более выгоден. Конечно, это требует учета дополнитеЛбного веса аккумуляторов, но, как показывает теоретический анализ, может оказаться выгодным в ряде случаев.

Это только один пример сложных проблем, связанных с осуществлением наивыгоднейшего полета электрических межпланетных кораблей. Исследованию такого полета, в частности, так называемых оптимальных траекторий, при

йолётё по которым длительность полета оказывается наименьшей, посвящено много исследований советских и зарубежных ученых). Для таких расчетов широко применяются электронные вычислительные машины. Интересно, в частности, как зависит продолжительность полета электроракеты от ее ускорения, создаваемого двигателем. На первый взгляд кажется, что величина ускорения непосредственно определяет продолжительность полета — ведь с ростом ускорения возрастает и средняя скорость ракеты. Но в действительности, как об этом упоминалось в гл. 8, влияние ускорения на продолжительность полета может оказаться практически несущественным. Так именно получается, в частности, в случае полета к Марсу или Венере, хотя, например, в полете к более отдаленным планетам роль ускорения становится уже существенной. Это объясняется тем, что в полете к Марсу или Венере скорость ракеты в основном определяется не ее ускорением, а орбитальной скоростью Земли, равной, как известно, примерно 30 км/сек. Поэтому, например, возрастание ускорения вдвое уменьшает продолжительность полета всего на 7б. Иное дело — более отдаленные цели, в полете к которым роль ускорения ракеты в ее конечной скорости неизмеримо больше.

Легко видеть, что при неизменной силе тяги ускорение электроракеты, как и всякой другой ракетной системы, будет в полете постепенно возрастать — ведь ее масса уменьшается в связи с расходованием топлива (рабочего вещества) при работе двигателя. Однако для электроракеты это возрастание гораздо меньше, чем, для термохимической ракеты, поскольку и относительный запас рабочего вещества на ней несравненно меньше. Если, например, при старте величина относительного запаса топлива равна 7г, т. е. масса топлива составляет ровно половину от общей стартовой массы ракеты), то конечная величина ускорения (к моменту выработки всего рабочего вещества) будет всего вдвое больше начальной.

Для термохимической ракеты моменту выработки всего топлива соответствует обычно не только максимальное

7 «Космические исследования», Акад. наук СССР, V—VI, 1967, т. 5, вып. 3, стр. 339.

) Как показывает теория, этому случаю соответствует, при данных значениях мощности двигателя и продолжительности полета, максимальное начальное ускорение. (По Штулингеру и Зейтцу).

ускорение, но и максимальная скорость полета (в конце активного участка траектории). Не так обстоит дело в случае электроракеты, ибо ее полет происходит совершенно иначе.

Как известно, траектория любого межпланетного полета термохимической ракеты складывается обычно из трех различных участков — короткого активного участка при старте, когда двигатель сообщает ракете необходимую космическую скорость, основного по длительности и протяженности участка пассивного полета в поле тяготения Солнца, когда двигатель не работает, и заключительного активного участка разгона или торможения, необходимого для выравнивания скорости корабля со скоростью планеты и посадки на планету. Таким образом, за все время полета, который может длиться месяцы и годы, двигатель работает считанные минуты — на коротких начальном и конечном участках траектории. Главная часть траектории, когда двигатель не работает и корабль совершает «дрейф» вокруг Солнца, представляет собой обычно дугу эллипса (полет по параболической и гем более гиперболической траектории связан с чрезмерно большой затратой топлива и нереален в ближайшем будущем).

Как же совершает свой полет электрический межпланетный корабль? Он стартует, как уже упоминалось, с орбиты искусственного спутника Земли, подобно не раз стартовавшим уже таким образом советским космическим ракетам. Прежде всего, конечно, скорость корабля должна возрасти от орбитальной (она может изменяться в широких пределах от 3—4 до 11 км/сек в зависимости от характера и высоты орбиты) до необходимой для преодоления земного тяготения, т. е. второй космической скорости, или параболической, равной (у поверхности Земли) 11,2 км/сек. Для термохимической ракеты этот разгон длится короткие минуты, причем самым выгодным было бы мгновенное возрастание скорости путем одного импульсного приложения силы тяги. Но, конечно, такой стремительный разгон невозможен — и потому, что он потребовал бы колоссальной тяги, и потому, что был бы связан со столь же огромными инерционными перегрузками, опасными не только для человека, но и для самого корабля. Обычно используются максимальные допустимые перегрузки, в 4—8 раз превышающие ускорение земного тяготения. Это значит, что скорость корабля под дей

ствием тяги двигателя возрастает каждую секунду на 40— 80 м/сек. Соответственно и тяга двигателя ракеты должна в 4—8 раз превышать ее вес.

Но тяга электроракетного двигателя столь мала, что вызываемое ею ускорение корабля в сотни и тысячи раз меньше ускорения земного тяготения, т. е. равно 10“-^ _i_ 'jg-4 ^ а иногда даже и меньше. Это значит, что каждую секунду скорость корабля возрастает всего на несколько миллиметров или от силы десятков миллиметров в секунду. Понятно, что соответственно возрастает и продолжительность полета с работающим двигателем — она составляет уже не минуты, а часы и дни. Действительно, если нужно, например, увеличить скорость корабля при старте с 7 до 11,5 км/сек, т. е. на 4,5 км/сек, а ускорение ракеты составляет 10~ g, т. е. 1 мм/сек, то, очевидно, разгон корабля с работающим двигателем будет длиться 4,5 • 10 сек. Пятьдесят два дня, почти два месяца, будет работать двигатель, разгоняя ракету до нужной скорости.

Конечно, зти расчеты носят условный характер, так как относятся к полету в так называемом свободном пространстве, в котором на корабль действует только сила тяги, а других внешних сил нет. В условиях реального старта с околоземной орбиты сопротивлением атмосферы можно, конечно, пренебречь, но ведь корабль будет стартовать в мощном гравитационном поле Земли. Поэтому старт корабля будет происходить совсем иначе, и в действительности, как мы увидим ниже, в результате работы двигателя скорость корабля не только не будет возрастать, а станет даже... уменьшаться. Двигатель «тормозит» взлетающий корабль?! Это кажется парадоксальным, но объясняется особенностями траектории взлетающего корабля.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



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