Тяга в ракетном двигателе

Еще в начале нашего века Константином Эдуардовичем Циолковским было теоретически доказано, что, чем больше газов вырывается из ракетного сопла в секунду и чем больше скорость, с которой они выходят, тем больше тяга.

Количество и скорость истечения газов зависят не только от конструкции и размеров двигателя, но и от вида сжигаемого топлива. За короткую историю развития ракетных двигателей в качестве топлива были испробованы почти все горючие вещества. Только одна немецкая фирма BMW во время второй мировой войны испытала более 6000 веществ.

Оказалось, что тяга двигателя данного веса принципиально ограничена температурой сгорания топлива.

Для выведения на орбиты тяжелых аппаратов остается единственное средство — увеличение числа ракетных ступеней. Этот путь в свое время также был указан К. Э. Циолковским. Многоступенчатость дает возможность отбрасывать ступень за ступенью после использования ими топлива. Вес оставшейся части ракеты уменьшается не только за счет сгоревшего топлива, но и за счет веса отбрасываемых ступеней. Чем меньше вес оставшейся части, тем легче можно разогнать ракету до нужной скорости.

А как же быть с проектом межпланетного путешествия? Ведь для его осуществления потребуются очень большие и тяжелые космические корабли и, следовательно, придется затратить огромное количество топлива!

Вспомним, однако, что химическая реакция горения является далеко не единственным источником энергии. Например, сейчас уже для получения энергии широко используются реакции распада атомных ядер. Почему бы не попытаться использовать этот могучий источник энергии для полета в космос?

У космической ракеты недалекого будущего будут компактные мощные двигатели, которые смогут работать длительное время. Современные ракетные двигатели, работающие на химическом топливе, громоздки и потребляют слишком много топлива. Поэтому ученые и конструкторы сейчас усиленно разрабатывают новые, более экономичные двигатели, которые позволят ракетам будущего длительное время маневрировать в космосе. Некоторые такие двигатели уже построены. Так, например, плазменный двигатель, установленный на советской ракете «Зонд-2», успешно выдержал испытания в марте 1965 г. Другие двигатели (фотонные, аннигиляционные и т. п.) находятся еще в начальной стадии проектирования. Широкое применение этих двигателей относится к отдаленному будущему.

Весьма перспективны атомные двигатели, в которых для создания тяги применяется рабочее тело, в качестве которого предполагается использовать воду, сжиженные газы (водород, гелий) и даже легкоплавкие металлы — натрий и калий. Рабочее тело, проходя через реактор, испаряется, нагреваясь до высокой температуры, и затем истекает из реактивного сопла, создавая тягу. Скорость истечения газов из реактивного сопла при этом по крайней мере в три раза больше, чем у химических реактивных двигателей, а расход рабочего тела, наоборот, втрое меньше. Тяга такого двигателя может достигать сотен тонн.

Вообще говоря, ядерное горючее может и непосредственно использоваться для создания реактивной тяги. Горючее (например, фтористый уран) впрыскивается в камеру сгорания, затем происходит ядерная реакция, в результате которой из реактивного сопла истекает мощная радиоактивная струя.

По сравнению с двигателями первого типа здесь можно получить более высокие скорости истечения за счет более сильного нагрева газов. Ведь в данном случае тепло образуется непосредственно в камере сгорания во время ядерной реакции. Если камера сгорания хорошо охлаждается, то температура газов в ней может быть значительно выше, чем в двигателях первого типа, где степень нагрева рабочего тела ограничивается температурой плавления или прочностью материала, из которого изготовлен реактор. Двигатели этого типа смогут развивать тягу, измеряемую тысячами тонн. В то же время топлива они будут потреблять раз в десять меньше, чем самый совершенный химический реактивный двигатель.

В настоящее время уже построены и проходят испытания ядерно-электрические двигатели, в которых тепловая энергия ядерной реакции преобразуется в электрическую с последующим ее использованием для ускорения реактивной струи. К этой группе относятся двигатели ионные, плазменные и т. п. Они развивают очень небольшие тяги (не превышающие нескольких килограммов) и могут быть использованы, например, в качестве двигателей точной коррекции во время космического полета.

В описанных атомных двигателях тяга создается за счет истечения реактивной струи. Однако можно и непосредственно использовать энергию атомного взрыва для увеличения скорости космического аппарата.

Представим себе, что позади аппарата, на значительном от него расстоянии, периодически взрываются небольшие атомные бомбы. Тогда взрывная волна, ударяя в донную платформу аппарата, снабженную амортизационным устройством, будет сообщать ему ускорение. Потребность в больших ускорениях при маневре, возможно, сделает приемлемым и этот тип двигателя, во всяком случае для беспилотных космических аппаратов. Принципиальная возможность подобного движения уже проверена на модели, позади которой взрывали тринитротолуол.