СИЛА И СЛАБОСТЬ ХИМИИ


ГЛАВА 2

СИЛА И СЛАБОСТЬ ХИМИИ

Изобретенный Циолковским жидкостный ракетный двигатель достиг в последнее Бремя высокой степени совершенства. Он во многих отношениях является рекордистом среди всех других термохимических реактивных двигателей. Ему принадлежат рекорды в отношении развиваемой тяги, скорости истечения газов, температуры сгорания, тепловой нагрузки (количества тепла, выделяющегося в единице объема камеры сгорания, и количества тепла, отводимого в стенки) и др. И конечно, за ним рекорды в отношении достигнутых скоростей и высот полета, как с человеком, так и без человека. Летчик на самолете с таким двигателем летал на высотах более 107 км и со скоростью примерно 7300 км/час, что в 6,7 раза превышает скорость ззука — это достижение оставило позади рекорды всех других самолетов). Что же говорить *)

*) Нужно, правда иметь в виду, что эти рекорды были поставлены на экспериментальном самолете Х-15 (США), который взлетал с земли не сам — его поднимал на большую высоту и разгонял до скорости около 1000 км/час другой, тяжелый реактивный самолет-носитель (В-52). Только в стратосфере подвешенный под носителем самолет Х-15 отделялся, летчик включал его ракетный двигатель и начинал самостоятельный полет. Международная авиационная федерация, регистрирующая все авиационные и космические рекорды, установила, что до высоты 100 км полеты считаются авиационными, а выше — уже космическими. Зафиксированные ею рекорды самолета Х-15, установленные в 1962 г., именно высота 95 936 м и скорость 6693 км/час (Missiles and Rockets, XI, 1962 и др.), уже находятся почти на грани авиации и космонавтики. Высота более 107 км достигнута в полете, совершенном в 1963 г. (Elinght, 16. I. 1964). Скорость полета 7300 км/час была достигнута самолетом Х-15А-2 4 октября 1967 г. на высоте 30 км (Internavia Air Letter, 1967, № 6353, стр. 8; № 6373, стр. 4). Следует подчеркнуть, что зарегистрированные той же Федерацией абсолютные мировые рекорды высоты и

о космических летательных аппаратах! Ведь ракеты, доставившие искусственные спутники Земли на их орбиту, достигали скорости порядка 26000 км/час и высоты в тысячи километров, а космические ракеты превысили вторую космическую скорость, равную, как известно, примерно 40000 км/час, и удалились от Земли на расстояния в сотни миллионов километров!

Эти замечательные победы космонавтики и ракетной техники одержаны с помощью химии, можно сказать, почти в самом начале их плодотворного сотрудничества. Тем более неожиданными и даже странными выглядят на этом фоне свидетельства ученых, нужно признаться, весьма единодушные, о том, что достигнутые успехи не так уж далеки от предельно возможных и, в частности, что межпланетный полет человека с помощью одной лишь химии вряд ли будет когда-либо совершен.

На чем основан этот скепсис? Так ли обстоит дело в действительности?

Чтобы попытаться самим разобраться в этом вопросе, нужно прежде всего установить, какого рода требования предъявляет космонавтика к химии, а затем выяснить, как химия идет навстречу этим требованиям и каковы ее истинные предельные возможности в этом отношении.

Если нужно выразить одним словом то, чего ждет космонавтика от ракетной техники, то этим словом будет, конечно, скорость! Скорость, вот в чем, в конце концов, секрет любого успеха в борьбе за покорение космоса. Чем больше скорость, которая при прочих равных условиях может быть достигнута космической ракетой, тем все более сложные задачи могут быть ею решены. И совершение любого межпланетного полета в нынешнее время — это прежде всего проблема необходимой скорости. Была бы скорость, чтобы можно было сообщить ее необходимому полезному грузу, а остальное приложится, остальные задачи и проблемы, как они ни сложны, все же будут решены.

В космонавтике так и принято — оценивать трудность совершения любого межпланетного полета условной величиной необходимой для этой скорости. Вот, например, го

скорости на самолете, совершающем самостоятельный полет, установлены в том же 1962 г. советским летчиком Г. К. Мосоловым и равны соответственно 34 714 м и 2678 км/часг

ворят, что для полета обитаемого межпланетного корабля на Луну нужна скорость 30—35 км/сек (называются и меньшие значения; мы пользуемся приведенной здесь величиной лишь для целей иллюстрации). Это вовсе не значит, конечно, что при взлете с Земли корабль следует разогнать до этой скорости.

Указанная величина необходимой скорости подсчитывается приблизительно так (значения скоростей даны ниже примерно, округленные в сторону увеличения):

при взлете с Земли скорость корабля составит при

мерно ........................ 11,5 км!сек,

при посадке на Луну придется погасить скорость 2,5 »

при взлете с Луны скорость корабля составит ... 2,5 »

при посадке на Землю придется погасить скорость 11,5 »

для компенсации потерь на преодоление сопротивления воздуха, гравитационных потерь, связанных с действием притяжения к Земле и Луне

и др. нужно предусмотреть скорость....... 3 »

на маневрирование, необходимые резервы, ошибки в пилотировании и др. нужно предусмотреть скорость ......................... 3 »

Итого .... 34 км/сек

Следовательно, весь полет потребует скорости в 34 км/сек.

Как видно, эту условную скорость корабль никогда в действительности не приобретает и ею пользуются лишь для того, чтобы охарактеризовать трудность того или иного межпланетного полета. Ее обычно называют характеристической. Впрочем, не менее часто называют ее и идеальной, показывая этим самым, что хотя в действительности она и не достигается, но в некоторых особых, идеальных условиях ее все же можно было бы достичь.

Нетрудно сообразить, какие именно должны быть эти условия. Если представить себе, что корабль начинает свой разгон из положения покоя, находясь в таком условном пространстве, в котором нет атмосферы и отсутствуют поля тяготения, то в конце разгона, когда будет израсходовано все запасенное на корабле топливо, скорость корабля как раз станет равной идеальной, характеристической.

Это и не удивительно: ведь топливо на корабле было запасено именно из этого расчета. Кстати сказать, это условное пространство, которое Циолковский метко назвал «свободным», существует в действительности. Его

будут пересекать межзвездные корабли будущего, поскольку такие корабли будут совершать полет вдали от звезд и других массивных небесных тел, где нет ни атмосферы, ни сильных гравитационных полей.

Какова же величина идеальной скорости для различных межпланетных полетов?

В приведенном выше примере полета на Луну эта скорость равнялась, как мы видели, примерно 35 км!сек. Даже допуская, что это значение завышено и что его можно уменьшить, используя, например, аэродинамическое торможение при возвращении корабля на Землю, все же минимальное возможное значение указанной скорости надо считать, вероятно, не меньшим 20—25 км!сек. Понятно, что для более сложных межпланетных полетов обитаемых кораблей величина идеальной скорости будет еще больше. Так, для полета на Марс она в лучшем случае превысит, вероятно, 30 км!сек, а на Венеру — 35 км!сек. Полеты к более далеким планетам — Меркурию и внешним планетам— потребуют еще значительно большей идеальной скорости.

Правда, идеальная скорость межпланетных полетов могла бы быть существенно снижена при использовании идеи Циолковского о космической пересадочной станции— топливозаправочной «колонке» мирового пространства. Если, в соответствии с этой идеей, накопить запасы топлива на искусственном спутнике Земли с тем, чтобы пополнить опустевшие баки межпланетного корабля, отправляющегося с Земли в далекий рейс, или, еще лучше, начинать полет корабля непосредственно с этого спутника (как это и было сделано в полете советских космических ракет к Венере и к Марсу), то идеальная скорость сразу уменьшится на такую же скорость для спутника, т. е. на 11—12 км/сек. Такой же выигрыш можно получить и при возвращении корабля на Землю. Еще большая экономия была бы получена, если бы подобные же топливозаправочные базы были созданы на искусственных или природных спутниках той планеты, которая является пунктом назначения, например, Марса. Впрочем, преимущества подобных межпланетных полетов с заправкой топливом в пути вовсе не ограничиваются одной лишь экономией топлива, т. е. уменьшением идеальной скорости. Но об этом подробно рассказывается в ряде книг по космонавтике и мы не будем здесь далее углубляться в эту тему,

Однако создание подобных топливозаправочных станций в мировом пространстве хотя принципиально и возможно, но еще не осуществлено. Мало того, оно связано со столь большими трудностями, что, по мнению ряда ученых, осуществление этой идеи не менее трудно, чем самого межпланетного полета. Да и, кроме того, следует иметь в виду, что хотя при этом межпланетный полет и становится возможным, поскольку на самом корабле приходится запасать значительно меньше топлива, общие затраты топлива на полет вовсе не становятся настолько меньшими. Ведь только на транспортировку необходимого топлива на станции заправки в космосе приходится затрачивать немало топлива.

Общая идеальная скорость для всей операции, учитывающая все затраты топлива, может оказаться даже большей.

Вот почему космонавтика с таким нетерпением ждет все новых побед ракетной техники в борьбе за скорость полета. Каждая такая победа расширяет возможности космонавтики, приближает заветный миг старта межпланетного корабля с первыми астронавтами.

В уже осуществленных полетах космических ракет достигнутая идеальная скорость не превышала необходимой для наиболее простого пилотируемого полета — на Луну. Удастся ли достичь скорости, нужной для межпланетного полета? Как именно? Когда? Эти вопросы возникают, прежде всего перед читателем.

Даже без глубоких знаний в области ракетной техники очевидно, что достижимая величина идеальной скорости зависит от трех вещей: ракеты (ее конструкции, размеров, примененных материалов и, конечно, полезного груза), двигателя ракеты (его совершенства) и топлива, на котором этот двигатель работает. Очевидно, что во всех трех аспектах весьма важна роль химии, но в последнем из них она является решающей. И как мы увидим ниже, именно третье обстоятельство, качество применяемого топлива, является, в свою очередь, решающим для всей проблемы в целом. Вот почему судьбы космонавтики так тесно связаны с химией, прежде всего химией ракетных топлив.

Конечно, роль химии весьма велика и тогда, когда речь идет о совершенстве конструкционных материалов для космической ракеты, ее двигателей и оборудования. От химии ждут, в частности, новых «астронавтических» пластических масс, обладающих необычными свойствами, например, непроницаемых для одних видов электромагнитных излучений и прозрачных для других, морозоустойчивых и жаропрочных, и т. д.

Задача химии — создание ряда необходимых для межпланетного корабля установок и агрегатов, вроде, например, установок для химической регенерации воздуха в кабине корабля и т. п. Без решения химией этих задач совершение межпланетного полета будет крайне затруднено. В частности, например, решение проблемы обратного входа межпланетного корабля в земную атмосферу при возвращении не только жизненно важно само по себе, но и позволяет уменьшить потребную идеальную скорость путем использования аэродинамического торможения, а этому решению химия способствует путем создания новых материалов для изготовления или покрытия ими наиболее нагревающихся при таком торможении частей корабля.

Однако более внимательное рассмотрение проблемы показывает, что именно топливо космического корабля — ключ к успеху полета, и этот ключ находится в руках химии.

Чтобы убедиться в этом, достаточно установить, от чего зависит, в конце концов, достижимая космической ракетой идеальная скорость. Это и позволит выяснить те рычаги, с помощью которых можно воздействовать на величину идеальной скорости, всемерно увеличивать ее.

К счастью, решение этой задачи, внешне кажущееся весьма сложным, поскольку достижимая скорость ракеты зависит, как об этом упоминалось выше, от весьма большого числа факторов, в действительности оказывается кристально ясным и четким. Это филигранное решение впервые было получено Циолковским еще в 1897 г. и носит теперь имя этого гениального ученого. Полученная им формула (она была опубликована впервые в 1903 г.) лежит в основе науки о движении ракет — ракетодинамики и, естественно, всей космонавтики. Уместно отметить здесь, что найденное Циолковским решение имеет тем большее научное значение, что относится к целому новому классу движений, до того не изученному механикой. Речь идет о так называемом движении тел переменной массы, характерном для полета ракеты, которая при движении быстро

теряет значительную часть своей массы в виде сгорающего топлива.

Мы не станем приводить здесь вывода формулы Ци-олковского, требующего использования вь!сшей математики. Этот вывод имеется не только в уже упоминавшейся выше классической работе Циолковского, но теперь и во многих других книгах по ракетной технике. Приведем лишь хорошо известное окончательное выражение формулы Циолковского:

F = 2,3.WMgm.

В этой формуле, столь важной для всей космонавтики и для темы нашей книги, приняты обозначения, о которых стоит сказать подробнее.

V — идеальная скорость ракеты. Это и есть та скорость, которую ракета приобрела бы при разгоне в свободном пространстве после сгорания всего запасенного на ней топлива. Поскольку период разгона ракеты, когда работает двигатель, носит название активного участка траектории ее движения, то эту скорость обычно называют скоростью в конце активного участка, или просто конечной скоростью. Естественно,что в действительности конечная скорость будет меньше этой идеальной — ведь ракете в истинном полете придется иметь дело и с сопротивлением воздуха, и с полем земного тяготения. Таким образом, формула Циолковского указывает как бы максимально достижимую скорость ракеты. Обычно величина V измеряется в километрах в секунду.

—- это тоже скорость, именно та, с которой частицы газов в реактивной струе, вытекающей из двигателя ракеты, покидают двигатель, т. е. их скорость в выходном сечении реактивного сопла двигателя относительно этого сечения).

Последняя, третья величина m является безразмерной и представляет собой отношениё двух масс. Это отношение, играющее весьма важную роль в ракетной технике, часто называют числом Циолковского.

Число Циолковского m есть отношение начальной, или взлетной, массы ракеты, т. е. той массы, которую она имела

) ^Для упрощения здесь рассматривается так называемый расчетный случай истечения, которому в действительности при полете в космосе соответствует бесконечно большое выходное сечение сопла; истинный случай будет несколько отличаться от расчетного4

до запуска двигателя, будучи полностью снаряженной и подготовленной к старту, к массе ракеты в конце активного участка, т. е. после остановки двигателя ракеты из-за сгорания всего находившегося на ней топлива. Разность обеих масс есть просто масса топлива на ракете ).

Итак, интересующая нас конечная скорость ракеты зависит, оказывается, всего лишь от двух величин — скорости истечения газов W и отношения начальной и конечной масс т. Все многочисленные факторы, о которых шла речь выше, в конце концов «упрятываются» в эти две величины.

Такая простота зависимости позволяет нам более определенно ответить на вопрос о роли химии в судьбах космонавтики.

Наиболее просто дело обстоит здесь с величиной отношения масс т. Это отношение является характеристикой конструктивного совершенства ракеты, ибо показывает, какую часть общего веса ракеты составляет вес находящегося на ней топлива. Чем больше вес топлива по сравнению с весом конструкции ракеты, ее двигателей, оборудования и полезной нагрузки, тем больше величина т и конечная скорость ракеты (рис. 4). Конструкторы ракет неустанно трудятся над увеличением т и добились в этом направлении поистине замечательных результатов. Уже сейчас по величине т некоторые ракеты начинают конкурировать с... обыкновенным ведром или легкой алюминиевой канистрой. Это, конечно, настоящее чудо, если учесть сложность ракеты и ее оборудование, а также величину действующих на ракету в полете сил.

Для величины т характерно то, что она входит в формулу Циолковского под знаком логарифма. Это значит, что, например, для удвоения конечной скорости величину т нужно возвести в квадрат, т. е., например, вместо первоначального значения т= 10 должно быть взято т — 100. Точно так же для утроения конечной скорости величина должна быть взята в третьей степени — в нашем примере это означает увеличение до 1000! Легко видеть, как трудно добиваться увеличения скорости, идя по такому пути, особенно, если учесть, что всякое, даже небольшое увеличение т дается сейчас конструктору ценой больших трудов. Конечно, химия и здесь может во многом помочь, предлагая новые, более легкие и прочные материалы, в особенности новые полимеры и другие пластмассы, и решая другие задачи, о которых упоминалось выше. Однако ясно, что не в этом заключается основная зависимость ракетной техники и космонавтики от химии.

*) Часто в научной литературе числом Циолковского называют другое отношение, именно отношение массы топлива на ракете к конечной массе ракеты.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



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