Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня

Мы догадываемся, что в конце концов победа будет на стороне того, кто совершит взлет с меньшей затратой топлива, и начинаем думать, что тут-то победителем окажется «тихоход» — иначе зачем было автору рассказывать все это? Но оказывается, что «тихоход» безнадежно проиграет…

Помните, ваше внимание было специально обращено на несоответствие между тягой и ускорением взлетающей ракеты? Когда двигатель ракеты развивает тягу, в точности равную весу, то хотя он ежесекундно поглощает целую реку топлива, ракета будет висеть в воздухе неподвижно, опираясь на огненный водопад вытекающих из двигателя газов. Стоит чуть увеличить тягу, и ракета тронется вверх, появится ускорение. Неудивительно, что при малом ускорении, как в случае «тихохода», оно достается ценой очень большой траты топлива, — так сильно сказывается обязательный «довесок» в виде расхода топлива на создание тяги, равной весу ракеты. Когда ускорение возрастает, то относительное влияние этого «довеска» становится, естественно, меньше. Следовательно, уменьшается и затрата топлива на единицу ускорения ракеты (ученые говорят, что уменьшаются гравитационные потери при взлете).

Если весь взлет с разгоном ракеты осуществляется вертикально, то «тихоход» затратит на него примерно в 7500 раз больше топлива, чем ракета. Такой взлет не просто невыгоден, он, невозможен. Выходит, вертикальную гонку «тихоход» действительно проигрывает по всем статьям…

Значит, идея применения «тихохода» в космосе абсурдна?

Конечно, рассказ этот ведется не зря, на «тихоходах» еще рано ставить крест. Прежде всего, вертикальный взлет космических ракет длится, в общем, недолго. Как только они пересекают нижние, плотные слои атмосферы, так тотчас же переходят с вертикального на наклонный, а затем и горизонтальный полет. Собственно, невыгодный вертикальный взлет и нужен лишь для того, чтобы как можно быстрее пересечь толщу плотной атмосферы, полет в которой связан, в свою очередь, со значительными дополнительными потерями топлива на преодоление сопротивления воздуха. Но как только плотный воздух позади, можно переходить на полет по горизонтали, когда вредное действие земного тяготения уже не сказывается и гравитационные потери отсутствуют. Тут уже можно бы найти применение и «тихоходу», но все же он будет уступать обычной ракете.

Область, где «тихоход» ни в чем не уступит, иная. Представьте себе, что космический корабль уже вышел на орбиту искусственного спутника Земли. Позади — трудный взлет, атмосфера, перегрузки. Достигнута орбитальная, или первая космическая скорость. Теперь уже, если двигатель будет выключен, корабль станет бесконечно долго обращаться вокруг Земли. А если снова включить двигатель? Раз двигатель уже не должен своей тягой компенсировать вес корабля и преодолевать сопротивление воздуха, то любая, даже самая небольшая тяга вызовет ускорение. «Довеска», о котором говорилось выше, более не будет.

Значит, тут уже нет необходимости в сверхмощных ракетных двигателях, развивающих тягу в сотни тонн и поглощающих ежесекундно тонны топлива. Даже самый крохотный двигатель с тягой, меньшей веса корабля в тысячи раз, заставит корабль двигаться с ускорением (вспомните космические «каравеллы», о которых шла речь в предыдущей главе). И пусть это ускорение будет очень небольшим, все же со временем оно сильно увеличит скорость корабля, например, до скорости отрыва, когда корабль полностью разорвет цепи земного тяготения и отправится в межпланетный полет, от орбиты вокруг Земли к орбите вокруг Марса или другой планеты назначения. В таком межорбитном полете действительно годится и «тихоход», тут уж вовсе не обязательно разгонять корабль быстро, можно и медленно.

Но разве медленно — значит лучше? Верно, что двигатели малой тяги будут проще и надежнее, но ведь зато они должны будут работать уже не минуты, а многие дни и месяцы подряд. Они будут, естественно, легче и меньше по размерам, но и это не решающее обстоятельство. Главное, конечно, как будет обстоять дело с расходом топлива. И здесь-то мы подходим к самому существенному.

Оказывается, расход топлива на полет не будет зависеть от того, как долго он продолжается. Еще Циолковский установил, что не тяга двигателя и не продолжительность его работы, а скорость истечения газов из двигателя — вот что, прежде всего, определяет затрату топлива на полет. Почему так?

Потому, что чем меньше скорость истечения, тем больше должен быть расход топлива для получения той же тяги. Любая сила, в том числе и тяга двигателя, есть произведение массы на величину изменения скорости за время действия силы. Один и тот же толчок заставит катиться легкий алюминиевый шарик быстрее, чем тяжелый стальной. Выплюньте вишневую косточку — она полетит с большой скоростью, потому что ее масса мала. Но та же сила (ибо действие равно противодействию, и косточка действует на вас с той же силой, что и вы на нее) даже не сдвинет вас с места — ваша масса велика.

Если каждую секунду из двигателя вытекает один килограмм газов со скоростью 1000 метров в секунду, то сила тяги будет равняться 1000 ньютонам (или примерно 100 килограммам). Если же скорость истечения возрастет до 2000 метров в секунду, то для сохранения тяги расход газов должен уменьшиться вдвое, то есть до 0,5 килограмма. Значит, самый простой и прямой путь уменьшения расхода топлива — увеличение скорости истечения.

Но это тривиальная истина, и вся история ракетной техники — это, в значительной мерю, борьба за увеличение скорости истечения. К сожалению, успехи, одержанные на этом фронте, весьма скромны. По существу, скорость истечения газов из лучших современных двигателей превышает эту скорость в самых ранних двигателях не более чем в полтора раза. За тридцать лет — и всего в полтора раза!

Это, конечно, не случайно, и, что хуже всего, даже перспективы на будущее здесь тоже, в общем, весьма скромны. Рост еще раза в полтора — это, пожалуй, максимум, на который можно рассчитывать. Больше, чем примерно 4500 метров в секунду, самый лучший ракетный двигатель дать, очевидно, не сможет. Но, значит, этим устанавливается и предел для экономии топлива со всеми вытекающими отсюда последствиями, прежде всего, в отношении величины полезного груза, а также длительности полета. Так на пути человека в космос возникает незримый «барьер скорости истечения».

Природа этого барьера, представляющего собой главное препятствие дальнейшему освоению космоса и организации межпланетных сообщений, заключается в особенностях химической энергии ракетных топлив. Это топливо выполняет в двигателе сразу две различные функции, играет двойную роль. С одной стороны, топливо — источник энергии, его химическая энергия выделяется в двигателе и в результате происходящих в нем рабочих процессов преобразуется в конце концов в кинетическую энергию струи газов. Но, с другой стороны, топливо, или точнее — продукты его сгорания, являются и источником массы, тем рабочим веществом, истечение которого из двигателя непосредственно создает тягу. Поскольку величина химической энергии ограниченна, а состав вытекающих из двигателя газов определяется характером химической реакции сгорания, то есть не может быть избран произвольно по желанию конструктора, то ограниченной оказывается и величина предельно достижимой скорости истечения.