Перуница

» » Огонь, энергия, ракета (о реактивных топливах)

Наука и Техника » 

Огонь, энергия, ракета (о реактивных топливах)

Огонь, энергия, ракета (о реактивных топливах)

Летит ракета к далекой планете, запускается корабль-спутник с космонавтом на борту, настигает зенитная управляемая ракета воздушного пирата, мчится по воде реактивный катер, ищет в морской глубине подводную лодку реактивная торпеда — для движения их необходимы реактивные двигатели. Но двигатели не могут работать без источника энергии. Этот источник — топливо. Запас реактивного топлива ограничен на борту реактивного корабля, так как сам корабль ограничен в размерах. Поэтому, чем лучше подобрано топливо для ракеты, чем больше в нем содержится энергии, тем дольше проработает двигатель, тем дальше полетит ракета.

Нет предела человеческим возможностям — на очереди полеты человека на другие планеты, освоение Солнечной системы, полеты к другим мирам. Какое топливо будет гореть в камерах сгорания реактивных двигателей ракет будущего?

В простой и доступной для любого читателя форме рассказывает автор обо всем этом в книге.

Все фактические и цифровые данные в брошюре, а также сведения по топливам взяты из отечественной и иностранной открытой печати.




Глава I

От пещерного огня до многоступенчатой ракеты



Мир, единый из всего,
не создан никем из богов и никем из людей,
а был, есть и будет вечно живым огнем...


Гераклит
(около двух с половиной тысяч лет назад)


Впервые на службе у человека

«Его красные зубы защищали человека от обширного страшного мира; все радости жили только от него. Он извлекал из мяса вкусные запахи, делал твердыми концы рогатин, заставлял трескаться камни, он подбадривал людей в дремучих лесах, в бесконечной саванне, в глубине пещер. Это был отец, страж, спаситель; когда же он вырывался из клетки и пожирал деревья, он становился более жестоким и диким, чем мамонты», — так французский писатель Ронин старший описывает могущество огня для первобытного человека.

Приручение огня было для человека, жившего несколько сотен тысяч лет назад, гениальным открытием, поставившим его на голову выше животного мира. Греясь у огня в холодные зимние ночи, приготовляя на огне пищу, отпугивая им диких зверей, обжигая примитивные орудия, человек смотрел на огонь как на таинственную силу природы. Земля, вода, воздух, огонь были для него главными стихийными силами. Даже намного позже — всего около двух с половиной тысяч лет назад — древнегреческий философ Гераклит считал весь мир происходящим из огня. Огонь, по его мнению, — первооснова всех изменений, он связывает все в мире.

В огне горели дерево, хворост, животный жир, в некоторых местах на поверхности земли попадались горючие черные камни — уголь, в других местах из земли выступала маслянистая горючая жидкость — нефть, били фонтаны горючего газа. Горючий газ зажигался и, казалось, горел вечно, вокруг факела собирались толпы людей и поклонялись огню. Это было топливо, дарованное человеку природой, а значит, как думали в то время, какими-то высшими божественными силами.


Огонь плавит металлы

Когда люди начали пользоваться металлами и стала развиваться металлургия, потребовалось топливо и для выплавки металлов и для кузнечных работ. С развитием металлургии понадобилось значительно больше топлива, чем прежде. Особенно это стало ощутимо с возникновением капиталистического способа производства в Европе и связанным с ним бурным ростом промышленности и горного дела. Варварски бессистемно вырубались дремучие леса, хищнически добывался уголь. Даже правительства того времени были напуганы непомерными аппетитами предпринимателей и были вынуждены ввести ограничительные законы.


Рис. 1. Как топливо служит человеку


Топливо — пища машин

Еще большее значение получило топливо после изобретения примерно двести лет тому назад англичанином Джемсом Уаттом и русским И. И. Ползуновым первого промышленного теплового двигателя — паровой машины. С этого времени топливо начало служить человеку как мощная добавка к его мускульной силе. Установленная на корабле (1807 г.) и на паровозе (1814 г.) паровая машина предоставила человеку новые средства передвижения, не зависящие от силы ветра или силы животных. Топливо же для паровой машины осталось прежнее. Как какому-нибудь древнему языческому идолу, полуголые кочегары бросали в раскаленные жерла топок уголь, дрова, солому, позже стали впрыскивать нефть.

В конце прошлого века появились различные типы поршневых двигателей внутреннего сгорания, в которых топливо сгорало уже не в топках отдельных от машины котлов, а в цилиндрах самого двигателя, что делало всю двигательную установку более легкой и компактной. Эти двигатели работали только на жидких топливах — бензине, керосине, нефти, спиртах, в дальнейшем также и на горючих газах. Малые размеры двигательной установки с поршневым двигателем внутреннего сгорания позволили устанавливать ее на автомобилях, танках, подводных лодках и самолетах.

В это же время стали строить паровые турбины, которые, хотя и имели отдельные паровые котлы для приготовления пара, но могли быть построены на значительно большие мощности, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания, так как они не содержали обилия трущихся движущихся частей — поршней, штоков, шатунов, кривошипов и т. п. Паровые турбины начали устанавливать там, где требовались большие мощности — десятки и сотни тысяч лошадиных сил, — на больших надводных кораблях и стационарных (недвижущихся) теплоэлектростанциях.

Наконец, в наше время стало возможным построить такую турбину, которая уже не требовала отдельного котла, а вращалась горячими газами, получающимися от сжигания топлива в небольшой камере сгорания, размещенной в самом двигателе. Такая турбина называется газовой. Двигательная установка с газовой турбиной очень мала по размерам, а мощность ее значительно больше при одинаковых размерах и весе, чем мощность поршневого двигателя внутреннего сгорания. Установленная на самолете как часть его двигательной установки, она сразу дала возможность намного увеличить его скорость и перешагнуть звуковой барьер.


Рис. 2. Изобретение тепловых машин дало мощные орудия покорения человеком природы

Изобретение тепловых машин потребовало еще более развить одну из самых мощных отраслей хозяйства — топливную: построить шахты для добычи угля, пробурить глубокие скважины и оборудовать вышки для добычи нефти, создать обогатительные фабрики и нефтеперегонные заводы, специальные железнодорожные цистерны и вагоны, пароходы-угольщики и нефтеналивные суда.


Замерзнет ли мир?

Потребность в топливе так возросла, что некоторые журналисты и даже ученые стали предсказывать быстрое истощение всех топливных запасов на Земле и как результат упадок техники и культуры, вымирание человечества.

Дальнейшее развитие науки блестяще опровергло эти доводы.

Предпринимаемая с каждым годом все более и более широкая, особенно в Советском Союзе, геологическая разведка выявляет новые мощные запасы горючих ископаемых, а неисчерпаемые стихийные силы природы — энергия рек, морского прибоя, ветра и солнца, которая также может быть преобразована в тепло, с каждым годом обуздываются человеком все с большим и большим успехом. Человек скоро проникнет также в неизведанные глубины земного шара, где находятся неистощимые запасы топливной энергии,— об этом говорил на XXII съезде партии Первый секретарь ЦК КПСС Н. С. Хрущев.

В 1954 г. в Советском Союзе была построена первая в мире атомная (ядерная) электростанция с совершенно новым «топливом» — ядерным. Один килограмм ядерного топлива дает в несколько миллионов раз больше тепла, чем килограмм любого известного раньше топлива. В дальнейшем оно, возможно, вытеснит все остальные виды топлив. Но стоимость этого топлива еще высока, а оборудование силовых установок очень сложно. И все же оно уже сейчас выгодно там, куда затруднена доставка других топлив. Сейчас ядерным топливом служат ядра атомов тяжелых дорогих металлов — урана, плутония и других, но ученые уже работают над получением тепла в результате медленной термоядерной реакции соединений ядер водорода. Когда эта проблема будет решена, человечество получит практически неисчерпаемые источники тепла.

Кроме того, термоядерная реакция идет с образованием газа гелия, который безвреден для организма человека, тогда как при реакциях распада ядер тяжелых металлов продукты их распада радиоактивны, опасны, и требуют специальных мест захоронения.

Пока, кроме атомных электростанций, ядерное топливо применяется на некоторых надводных кораблях и подводных лодках. Корабли с ядерными двигательными установками могут ходить в море многие месяцы и даже годы без пополнения топливом, так как расход его за это время ничтожен и исчисляется килограммами. Раньше же корабль должен был каждые несколько дней пополняться десятками, сотнями, а то и тысячами тонн горючего. Атомный же ледокол «Ленин» — первый в мире надводный корабль на ядерном топливе — может бороздить льды Арктики, не принимая топливо, в течение года.


Порох — тоже топливо

Вот и все об истории топлива. Но следует еще сказать, что люди вначале совершенно не связывали понятие топлива с одним открытием, происшедшим в Китае примерно две тысячи лет назад. Это открытие пороха. Маленькие картонные ракеты, начиненные порохом, стали после этого применяться на всех китайских праздниках: их предназначали для фейерверков, как в наши дни сигнальные ракеты для салютов. Китайцы долгое время не употребляли ракеты для военных целей, а так как в то время непосредственной связи с Европой Китай не имел, то в Европе никто и не предполагал о существовании пороха.

Правда, около тысячи лет назад в Византии (на месте теперешней Турции и других близлежащих стран) появился секретный «греческий огонь». Он был страшнейшим оружием в морских битвах, сжигая, как щепки, деревянные корабли того времени. Но Византийская империя, раздираемая внутренними противоречиями, распалась под натиском пришедших с Востока кочевников — турок, а секрет «греческого огня» был безвозвратно утерян. Некоторые историки предполагают, что «греческий огонь»—это пороховые ракеты, выпускаемые из несложных пусковых установок. В боевых головках их, возможно, были нефть и сера. Предполагают, что секрет изготовления пороха греками был добыт через индийцев из Китая.

Несмотря на то, что порох был позже вторично «открыт» в Европе, ракетная техника развивалась слабо.

Хотя в XIX веке в наполеоновских войнах, в русско-турецкой 1828—1829 гг. и крымской 1853—1856 гг. войнах применялись боевые ракеты, а трудами русских генералов А. Д. Засядко и К. И. Константинова пороховые ракеты были значительно усовершенствованы, все же на полях битв больше применялась артиллерия. Артиллерийские снаряды били точнее и летели дальше, чем ракеты. Зачем же было пользоваться ракетами, которые к тому же были опасными в обращении. Вплоть до самой Великой Отечественной войны пороховые ракеты не играли существенной роли как оружие в войнах, пока не прогремели по окопам фашистских захватчиков залпы знаменитой «Катюши».

Почему же пороховые ракеты, которые были изобретены тысячи лет назад, смогли успешно применяться только в современных войнах? Да потому, что не знали тогда теории движения ракет, теории горения и теории движения газов. Двигались же ракеты при помощи черного пороха, а черный порох, как мы увидим дальше, плохое топливо.


Космические горизонты

Эту «неполноценность» пороха как топлива еще в 1903 г. подметил К. Э. Циолковский. Он писал, что порох, как ракетное топливо, ограничен в своих возможностях; значительно лучше будет, например, такое топливо, как жидкий водород плюс жидкий кислород. Это был совершенно новый взгляд на топливо, сыгравший колоссальную роль в ракетостроении.

К. Э. Циолковский не думал применять ракеты для военных целей. Он указывал пути человеку в межпланетное и межзвездное пространство. Ученики Циолковского продолжали его работы. Ф. А. Цандер, Н. И. Тихомиров и другие строили и испытывали еще при жизни своего учителя (1931—1933 гг.) ракеты, работающие по принципам, указанным К. Э. Циолковским. Немного позже выдвинулся ряд ученых, разрабатывающих отдельные проблемы ракетной техники, и среди них Ю. В. Кондратюк, М. К. Тихонравов, Н. Г. Чернышев, В. П. Ветчинкин, Ю. А. Победоносцев, Г. Э. Лангемак и многие другие.


Ракеты атакуют Лондон

Другое направление получило развитие ракетостроения с двигателями на жидком топливе в фашистской Германии. Во время второй мировой войны жители Лондона слышали в воздухе приближающийся треск, как будто по небу разъезжали тысячи мотоциклов. Это несли смерть мирным горожанам фашистские самолеты-снаряды Фау-1. Когда же с этими, далеко не совершенными ракетами англичане научились бороться, на Лондон начали падать подобно метеоритам баллистические ракеты Фау-2, от которых не было спасения. Только быстрое продвижение войск Советской Армии и разгром фашистской Германии спасли города Англии от полного разрушения.


США готовят спутник

Успехи ракетного оружия во второй мировой войне и в Великой Отечественной войне привели к тому, что в послевоенное время все крупные армии и флоты начали усиленно перевооружать свои части, корабли и самолеты. Одновременно в лабораториях ученые изыскивали новые, лучшие виды ракетного топлива. Правительства империалистических государств не считались с расходами, когда дело шло о строительстве боевых ракет. Наибольших успехов в ракетостроении, по мнению зарубежных специалистов, добилась самая богатая страна капиталистического мира — Соединенные Штаты Америки. Без тени сомнения было объявлено также, что Соединенные Штаты очень скоро запустят первый в мире искусственный спутник «Авангард»...

А СССР...

И вдруг...

«В результате большой напряженной работы научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро создан первый в мире искусственный спутник Земли».

Из сообщения ТАСС, газета «Правда», 5 октября 1957 года, Советский Союз.


«Москва сообщает, что запущен искусственный спутник Земли».

Газета «Нью-Йорк геральд трибюн», 5 октября 1957 года, Соединенные Штаты Америки.


«Русский спутник Земли со вчерашнего дня мчится вокруг нашей планеты».

Газета «Нейер курир», 5 октября 1957 года, Австрия


«День 4 октября 1957 года останется в истории днем необычайного научного опыта».

Газета «Монд», 5 октября 1957 года, Франция.


«Советские ученые открывают новую эру в истории дерзаний и прогресса человечества. Запуск искусственного спутника Земли является самым блестящим, самым необыкновенным результатом вековой борьбы человека за покорение природы. Этого достигли советские люди, и человечество благодарно им за это. День 4 октября 1957 года будет навеки записан огненными буквами в книгу истории».

Газета «Паэзе», 5 октября 1957 года, Италия.

Так человечество подчинило себе огонь, начав новую эру в развитии науки и техники — эру штурма космоса.


Человек в космосе

Последующие годы явились сплошным триумфом советской науки и техники.

Спутники Земли все большего веса и со все более совершенным оборудованием, космические ракеты и корабли-спутники неизменно поражали воображение всех людей мира. Наконец, 12 апреля 1961 года сам человек на корабле «Восток» проник в космос. Первым послом человечества во Вселенной стал советский майор Гагарин Юрий Алексеевич. Мир стал считать за должное, что каждый новый шаг в космос от имени человечества делают советские люди. За космонавтом-Один новый подвиг совершил космонавт-Два — Герман Степанович Титов, а за ним последовал групповой полет космонав- та-Три — Андриана Григорьевича Николаева и космонавта-Четыре — Павла Романовича Поповича. Дальше уйдут в звездные края бесчисленные покорители космоса, первооткрыватели Вселенной.

Успехи советской ракетной техники отныне не только теоретически, но и практически показали, что просторы, на которых может развиваться человеческая деятельность, беспредельны, как беспредельно мироздание. Цель же наших космических изысканий, как и цель всей нашей деятельности, — все на благо человека, все во имя человека.





Глава II

Летающие теплостанции



Мал золотник, да дорог.

Русская пословица


Замечательный закон

Сейчас вряд ли необходимо объяснять кому-либо великий закон сохранения материи, открытый гениальным М. В. Ломоносовым. Смысл его таков: ничто в мире не возникает из ничего и ничто не исчезает бесследно. Причем все удивительные превращения одного вида вещества или энергии в другие происходят в строго определенных соотношениях. Например, керосин выбранной марки при сжигании в атмосфере воздуха даст определенное (не больше и не меньше) количество тепловой энергии, тепловая энергия в идеальном случае* может быть превращена в определенное количество работы.
__________
* При превращении тепловой энергии в работу часть тепла неизбежно рассеивается в окружающем пространстве, но сумма полученной работы и рассеянного тепла будет всегда точно соответствовать количеству затраченной тепловой энергии. Чем более совершенен двигатель, тем больше получим мы работы и тем меньше тепла рассеется в окружающем пространстве.

Превращение же тепла в работу происходит в тепловых машинах — паровой машине, двигателе внутреннего сгорания, паровой или газовой турбине. Реактивный двигатель есть прежде всего тепловая машина и, как всякая тепловая машина, требует для своей работы топливо.

Необходимо заметить, что тепловые машины не только искусственно создаются человеком, но и существуют в природе. Более того, в природе их намного больше и они значительно сложнее, чем те, которые строит человек. Текут реки, идут дожди, растут живые организмы, гонит волны ветер в океане, дуют пассаты — большинство изменений в природе происходит в результате действия бесконечного количества естественных тепловых машин. Источником же тепловой энергии, источником жизни на Земле является Солнце.

В созданных своими руками тепловых машинах человек до последнего времени пользуется, главным образом, теплом горения, т. е. попросту сжигает в топках паровых котлов уголь, мазут, сланец, дрова и даже солому, а в двигателях внутреннего сгорания — нефть, мазут, керосин, бензин, дизельное топливо, спирты, искусственные и природные газы и тому подобное. Кстати сказать, тепловая энергия, превращающаяся в работу в тепловых двигателях, источником своим имеет то же Солнце, энергия которого накоплена в горючих веществах, которые принято называть топливом.

Это так называемые химические топлива в отличие от других источников энергии, которые человек поставил себе на службу в самое последнее время, например ядерного топлива.

Человек раньше даже не представлял, что могут быть другие виды топлива, кроме химических, а горение, т. е. окисление, или, проще, соединение горючего вещества с кислородом окружающего воздуха, считал единственным способом получения тепловой энергии. В дальнейшем ученые узнали, что не только при соединении с кислородом могут гореть вещества, но, например, некоторые металлы могут гореть в хлоре — ядовитом зеленоватом газе. Практически же для нужд промышленности и быта применяется только самое обыкновенное горение — соединение вещества с кислородом. Это не случайно, так как кислород для горения не надо добывать — он находится в воздухе, его там примерно пятая часть — 23 процента по весу или 21 процент по объему. Люди научились пользоваться огнем намного раньше, чем узнали о существовании кислорода.

Применяя во всех тепловых машинах горючее и называя его топливом, человек не задумывался о другой части топлива — воздухе (точнее — кислороде). Только специалисты должны были заниматься расчетами подачи воздуха к топкам.

Между прочим, не только при горении вещество соединяется с кислородом; ржавление, гниение — это тоже процессы соединения вещества с кислородом. Организмы человека и животных не могут существовать без непрерывного потребления кислорода для окисления веществ, поступающих в организм в виде пищи. Ведь организмы человека и животных представляют собой сложнейшие своеобразные тепловые машины, значительно более совершенные, чем те, которые когда-либо создавал сам человек. Но ржавление, гниение, биологическая деятельность живых организмов — медленные процессы по сравнению с бурным явлением горения с видимым огнем. И хотя некоторые ученые объединяют одним словом «горение» и пламенное горение, и остальные случаи соединения кислорода с другими веществами, в технике под горением обычно понимают самое простое — тепловую химическую реакцию с появлением пламени — видимого огня.

Развитие науки и техники позволило человеку давно известный принцип реактивного движения применить для постройки мощных ракет, отличающихся от своих предков, маленьких увеселительных пороховых ракет, значительно больше, чем современный автомобиль от первой телеги.

Дальность полета реактивных летательных аппаратов (реактивного самолета, ракеты), скорость полета и вес полезного груза в конце концов зависят от того, какую работу создаст реактивный двигатель, а работа в итоге определяется энергией запасенного топлива. Мы уже знаем, что согласно закону Ломоносова энергия не может возникнуть сама по себе, а должна иметь какой-то источник. Источник энергии на ракете один — запасенное топливо. А каждый килограмм топлива имеет вполне определенный запас энергии.

Сущность же понятия «топливо» в реактивных двигателях значительно отличается от житейского понимания этого слова. Чтобы выяснить эту разницу, необходимо разобрать конструкции реактивных двигателей и принципы их работы.


Сконцентрированные мощности

Реактивные двигатели не вращают винтов кораблей или пропеллеров самолетов, как другие двигатели, они также не вращают через передачи или непосредственно колеса автомобилей или паровозов. Они действуют на транспортный аппарат, на котором эти двигатели установлены, силой реакции струи: с какой силой струя вещества выбрасывается из двигателя, с такой силой реакция, действуя на транспортный аппарат, толкает его вперед. Это действие струи называется реактивной силой или реактивной тягой. Величина реактивной силы зависит от произведения отбрасываемой массы на скорость ее истечения.

Чем больше масса, вытекающая за одну секунду из сопла двигателя (секундный расход), и чем больше скорость истечения, тем больший груз может нести ракета, т. е. ракета может больше весить сама, иметь больший запас топлива и полезный груз на борту — боевую часть, приборы для исследования атмосферы, почту, людей и т. п. в зависимости от назначения ракеты.


Рис. 3. Как работает ракетный двигатель

Чтобы реактивный двигатель мог с большой скоростью выбросить массу какого-либо вещества, в двигатель встраивается особый отсек — камера сгорания, где и сжигается топливо. При сжигании топлива образуются газы, которые в обычных условиях занимают в сотни раз больший объем, чем само топливо до сжигания. Но так как объем камеры сгорания ограничен, в ней поднимается давление, становясь в десятки и сотни раз выше атмосферного. Силой этого давления горячие газы выбрасываются наружу через единственное отверстие, где они не встречают препятствий, — реактивное сопло. Этот раскаленный хвост за ракетой — реактивная струя — и создает реактивную тягу.

Мы знаем, что мощность обычных, нереактивных, двигателей измеряется в лошадиных силах. Каждая лошадиная сила (0,736 киловатта) равна 75 килограммометрам работы, произведенной за одну секунду, т. е. для получения мощности в одну лошадиную силу необходимо 75 килограммов за 1 секунду поднять на высоту в 1 метр. Созданные наиболее мощные в мире тепловые нереактивные стационарные двигатели имеют мощность до 450 тысяч лошадиных сил, а транспортные наземные (на кораблях) значительно меньше — до 100 тысяч лошадиных сил, мощность же авиационных поршневых двигателей доходит только до 4000 лошадиных сил. Это очень тяжелые инженерные конструкции, так как на каждую лошадиную силу приходится у авиационных поршневых двигателей внутреннего сгорания 0,4 килограмма веса двигательной установки, у корабельных двигателей—10 килограммов, а у стационарных двигателей (двигателей теплоэлектростанций и др.)—60—90 килограммов.

Хотя реактивные двигатели характеризуются не мощностью, а своей тягой, все же подсчитаем для сравнения мощность, развиваемую двигателем ракеты. Например, если ракета с двигателем с тягой в 25 000 килограммов будет лететь со скоростью 1500 метров в секунду, то мощность реактивного двигателя можно подсчитать умножением реактивной силы (тяги) на перемещение ракеты в течение секунды, т. е. на скорость, и делением для перевода в лошадиные силы на число 75. Тогда мощность реактивного двигателя будет





Рис. 4. В ракетном двигателе на вес металла, равный весу насекомого, приходится мощность, равная одной лошадиной силе

Если принять вес двигательной установки ракеты (реактивный двигатель, приборы и механизмы двигателя) в 600 килограммов, то для получения мощности в 1 лошадиную силу на ракете потребуется всего 1,2 грамма (0,0012 килограмма) веса двигателя, т. е. в 333 раза меньше, чем в авиационном поршневом двигателе внутреннего сгорания, и в 50 тысяч раз меньше, чем в стационарной паротурбинной установке. Или, еще нагляднее, на кусочек металла, равный по весу насекомому, например жуку-плавунцу, в реактивном двигателе в течение секунды приходится работа, которая под силу только самой сильной лошади.

Таким образом, шестисоткилограммовый жидкостный реактивный двигатель ракеты может развить такую же и даже большую мощность, чем самая сильная в мире стационарная паротурбинная установка весом в 27 000 тонн. У ракет, рассчитанных на большую дальность или на больший вес полезного груза, двигатели еще мощнее. Например, общая мощность двигателей ракеты для запуска советских кораблей-спутников с человеком достигает 20 миллионов лошадиных сил!


Рис. 5. В ракете средней дальности заключена мощность в два раза больше, чем во всех тепловых машинах этой теплоэлектростанции

Но если для стационарной двигательной установку топливо может быть в любую минуту доставлено со складов, баз или рудников или подано по трубам из мест его добычи, то на ракете вся эта мощность может быть получена только за счет источников энергии (за счет различных видов топлива), находящихся на ее борту.

Сами реактивные двигатели строятся не одной конструкции. Летит самолет Ту-104 или Ил-18, набирает скорость ракета, чтобы запустить корабль-спутник с космонавтом на борту, настигает под водой подводную лодку реактивная торпеда, мчится по воде быстроходный реактивный катер, идет наперерез воздушному нарушителю наших границ зенитная ракета — на всех этих сооружениях, которые мы назовем общим словом — транспортные реактивные аппараты, имеются реактивные двигатели. В зависимости же от того, для чего эти аппараты предназначены, с какой скоростью и где они движутся — в воздухе, на воде, под водой или в космосе, — на них стоят реактивные двигатели различной конструкции.

Зенитная ракета должна иметь скорость, намного превосходящую скорость самолета. Она залетает на такие высоты, где воздух чрезвычайно разрежен. На этих высотах реактивный двигатель не сможет получить из воздуха достаточно кислорода для сгорания горючего, запасенного на борту ракеты.

Межконтинентальная баллистическая ракета, летящая вдаль на несколько тысяч километров, поднимается еще выше, где воздух практически почти отсутствует, его в сотни и тысячи раз меньше, чем на Земле. Скорость межконтинентальной ракеты достигает свыше 25 000 километров в час.

Пассажирский же самолет летит обычно не выше 10—12 километров, где еще имеется достаточно кислорода для окисления горючего. Скорость его по сравнению со скоростями ракет небольшая — до 900 километров в час.

Катер с воздушно-реактивным двигателем находится совсем в обычных условиях и идет он с совсем маленькой для транспортных аппаратов на реактивной тяге скоростью— до 40—50 километров в час (скорости спортивных катеров достигают 300 километров в час). А вот реактивная торпеда, движущаяся полностью в воде, казалось бы, должна иметь запас кислорода на борту. Но оказывается в некоторых реактивных торпедах используется в качестве составной части топлива кислород воды. Вспомним всем известную истину, что вода состоит из кислорода и водорода.


Каждой ракете свой двигатель

Читатель может заметить, что есть реактивные двигатели, для работы которых все вещества, необходимые для горения, должны находиться на борту ракеты, для работы других двигателей на борту должно быть только горючее, а окислитель они берут из среды, в которой движется транспортный аппарат, так же как берется воздух для горения в топке парового котла или в цилиндре двигателя автомобиля. Таким образом, есть реактивные двигатели, зависимые от среды (их обычно называют просто реактивными) и независимые от среды (ракетные).

Зависимые реактивные двигатели, предназначенные для транспортных реактивных аппаратов, движущихся полностью или частично в воздухе (для самолета, крылатой ракеты, катера), называются воздушно-реактивными (ВРД), а движущиеся под водой и использующие кислород воды для горения (для некоторых реактивных торпед) — гидрореактивными (ГРД).

Воздушно-реактивные двигатели бывают различного устройства. В настоящее время наиболее распространены так называемые турбореактивные двигатели (ТРД). У них кислород для сгорания топлива берется вместе с воздухом из атмосферы. Воздух поджимается в специальном компрессоре и проходит в камеру сгорания, в которую впрыскивается горючее. Горячие газы, получающиеся при сгорании топлива в камере сгорания, вращают турбину, которая приводит в действие компрессор, а затем через реактивное сопло вырываются в атмосферу, создавая реактивную тягу. Турбина в этом двигателе необходима только для вращения компрессора. Такие двигатели стоят на самолетах и на многих крылатых ракетах. Устанавливаются они в качестве ускорителей (двигателей, включаемых при догоне противника или отрыве от него) и на реактивных катерах. Они экономичны при скоростях транспортного аппарата примерно до трех скоростей звука (3600 километров в час).

При дозвуковых скоростях (меньше 1200 километров в час) выгоднее часть мощности турбины, кроме мощности на приведение в действие компрессора, пустить на вращение винта. Такой двигатель называется турбовинтовым (ТВД) и представляет собой комбинацию турбореактивного двигателя и двигателя, работающего на винт, т. е. нереактивного. Эти двигатели устанавливаются на некоторых пассажирских и транспортных самолетах (Ил-18, Ту-114, Ан-10).

При больших скоростях (три — шесть скоростей звука— 3600—7200 километров в час) нет необходимости поджимать воздух компрессором. Стоит только разогнать транспортный аппарат до таких скоростей вспомогательным двигателем, а затем воздух, тормозясь в воздухозаборнике (диффузоре) двигателя, сам сожмется так, как если бы его сжимали насосом. Двигатели эти похожи на летающую трубу. Они называются прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД). Эти двигатели применяются на ряде крылатых ракет. Возможно, скоро их приспособят и для пассажирских самолетов. Тогда можно будет часа за полтора — два в воскресенье слетать, например, из Москвы во Владивосток, выкупаться в Тихом океане и к вечеру вернуться обратно в Москву.

Имеются еще и другие разновидности воздушно-реактивных двигателей, но они имеют меньшее распространение.

Для транспортных аппаратов с независимыми реактивными двигателями нет необходимости в наличии соответствующей среды. Весь запас топлива — вся запасенная энергия — находится у них на борту. А поэтому они могут двигаться где угодно — у поверхности Земли, под водой и в межпланетном пространстве. Только с независимыми от среды реактивными двигателями выводятся на орбиту ракетами спутники, пускаются ракеты к Луне и к планетам. Для обороны нашей страны имеются мощные межконтинентальные баллистические боевые ракеты, их двигатели также не зависят от среды.

Еще в 1881 г. за несколько дней до казни русский революционер Н. И. Кибальчич предложил использовать ракеты для полетов человека, топливом в этих ракетах должен был быть прессованный порох, т. е. ракеты должны были быть независимыми от среды. В наши дни в советской стране сбылись мечты гениальных провидцев Н. И. Кибальчича и К. Э. Циолковского, независимые от среды ракеты выводят в космос обитаемые корабли и недалек тот час, когда будет дан старт полетам человека на Луну, Марс и другие небесные тела.


Рис. 6. Какие бывают реактивные двигатели, их схемы устройств и где они могут применяться (на рисунке показаны электрические и фотонные ракетные двигатели, речь о которых будет вестись в главе V)

Если независимые реактивные двигатели работают на твердых реактивных топливах, то они называются ракетными двигателями твердого топлива (РДТТ). Когда в качестве твердого топлива применяется порох, двигатели называются пороховыми ракетными двигателями (ПРД). Если же независимые реактивные двигатели работают на жидком топливе, они называются жидкостными ракетными двигателями (ЖРД).


Рис. 7. В каком состоянии могут находиться химические ракетные топлива

Можно было бы для работы независимых реактивных двигателей применять не только твердое или жидкое, но и газообразное топливо — горючие газы. Но оно, как будет разъяснено ниже, не выгодно для этих двигателей.

В соответствии с проведенным разделением реактивных двигателей удобно все топлива, предназначенные для любых реактивных двигателей, называть реактивными топливами, а при необходимости выяснить, для каких, зависимых или независимых от среды, двигателей они предназначены — реактивными (в первом случае) или ракетными (во втором случае) топливами.


Что такое химическое топливо?

Имея представление о реактивных двигателях, уже нельзя рассматривать топливо в общежитейском смысле. Во-первых, любой источник энергии на ракете может служить топливом. Во-вторых, современный реактивный двигатель использует тепловую энергию, т. е. он является тепловой машиной. В-третьих, пока еще в реактивных двигателях выделение энергии происходит почти повсеместно в результате химических тепловых реакций, т. е. используются различные превращения, происходящие с электронными облаками атомов и молекул и не касающиеся ядерной энергии. В-четвертых, для получения тепла применяются в основном химические реакции окисления, хотя возможно использование и других любых химических реакций, идущих с выделением тепла.

Из этих четырех особенностей ракетных топлив всегда абсолютно верно только первое условие: ракетное топливо прежде всего должно быть источником энергии. Остальные три зависят от конкретного состояния развития техники. Дальше мы увидим, что не только химическая энергия может быть использована для движения реактивных транспортных аппаратов, но и энергия ядерных реакций и что не только химические реакции окисления могут дать необходимое количество тепловой энергии, но и, например, реакции разложения вещества.

Так как при современном состоянии науки и техники практически чаще всего используются тепловые химические реакции окисления и главным образом горение, их необходимо рассмотреть подробнее.


Немного о строении материи

Как известно, вещества состоят из мельчайших частиц — атомов. Диаметр одного атома примерно равен одной стомиллионной миллиметра. В настоящее время найдено в природе и искусственно получено всего 103 различных видов атомов. Каждый вид атомов называется элементом. Атомы одного и того же или различных видов могут соединяться в молекулы.

Молекулы — это мельчайшие частицы вещества, которые еще имеют особые, присущие только этому веществу свойства. Например, два атома кислорода образуют молекулу кислорода, а все вещество, состоящее из двухатомных молекул кислорода, представляет собой газ кислород, который находится в окружающем воздухе и имеет известные нам свойства. Но три атома кислорода образуют молекулу газа озона, свойства которого значительно отличаются от свойств кислорода. На высоте примерно 100 километров над Землей в состав атмосферы входит газ, молекула которого включает всего один атом кислорода, и вещество, состоящее из этих молекул, называется атомарным кислородом.

Таким образом, один и тот же вид атома — атом кислорода — может дать при соединении в молекулы три различных вещества — атомарный кислород, обычный (двухатомный) кислород и озон.

Если молекула состоит из одного вида атомов, как в рассмотренных случаях, вещество называется простым. Атомарный кислород, двухатомный кислород и озон — простые вещества. Если же молекула вещества состоит из различных видов атомов, то оно называется сложным веществом или химическим соединением. Например, вода — химическое соединение, молекула ее состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.


Рис. 8. Химические элементы, которые входят или могут входить в состав реактивных топлив

Лет 70 назад атом считали еще неделимым. Сейчас мы знаем, что атом имеет очень сложное строение. В 1908 г. В. И. Ленин указывал на то, что даже составная часть атома — электрон — так же неисчерпаема, как и атом. Действительно, в настоящее время мы знаем многие свойства электрона, явления, происходящие с ним, но до сих пор не знаем его строения. Это похоже на то, как зачастую люди пользуются электрическими лампочками, не зная природы электричества. Разгадка тайны электрона — дело будущего, но из того, что мы знаем о нем, многое уже служит человеку. Развитие науки в последние годы блестяще подтверждает гениальное ленинское предвидение.

Строение атома, по современным взглядам, выглядит так. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны. Электрон весит в 1840 раз меньше, чем самое простое атомное ядро — ядро атома водорода, и в десятки тысяч раз меньше ядер тяжелых атомов.

Природа электрона двояка. С одной стороны, электрон как бы «размазан» вокруг атомного ядра, образуя электронное облако со свойствами электромагнитной волны. С другой стороны, он представляет собой частицу, которая движется где-то в пространстве, занимаемом электронным облаком. Нам, привыкшим к миру осязаемых вещей, трудно представить двоякое состояние электрона, но теоретические выводы и практические результаты подтверждают сказанное. Если бы ученые держались прежних представлений, они не могли бы строить атомные электростанции, создавать сложнейшие электронные микроскопы и даже производить атомные взрывы.


Рис. 9. Схема атома водорода

В зависимости от расположения электрона (в том или ином электронном облаке — дальше или ближе к ядру) и характера электронного облака каждый электрон обладает вполне определенной энергией. Электрон может переходить скачкообразно из одного состояния в другое, при этом изменяется его энергия — она становится больше или меньше. Но так как энергия не пропадает, то, если она стала меньше, остаток ее выделится в виде частицы света или, как говорят, кванта, или фотона, света; если она стала больше, недостаток ее должен быть взят извне — происходит поглощение атомом энергии. При подводе тепла к веществу кванты энергии поглощаются атомами; отдавая затем энергию среде, атомы излучают их.

Картина явлений при химических превращениях с веществами еще более сложная, чем при нагреве или охлаждении. Но ядра атомов и при них не изменяются, а различные изменения происходят с состояниями электронов. Электроны переходят от одного вещества к другому, изменяется характер связи (состояние и взаимное расположение атомов, а значит, и электронов) в молекуле, изменяется состав молекулы, другие формы принимают электронные облака. Эти превращения называются химическими реакциями. Естественно, что при этом также выделяется или поглощается энергия; эта энергия чаще всего нами внешне воспринимается уже преобразованной в тепловую. Реакции, при которых выделяется тепло (если нет отвода тепла—тела нагреваются) или поглощается (если нет подвода тепла извне — тела охлаждаются), называются тепловыми.

Если в результате химической реакции выделяется тепло, реакция называется экзотермической; если тепло поглощается, реакция называется эндотермической. Горение есть один из видов бурно проходящей экзотермической реакции.

В большинстве случаев экзотермическая реакция протекает тогда, когда атом одного из веществ способен отрывать от атомов других веществ электроны. Тогда говорят, что вещество имеет сродство к электрону. Чем больше эта способность атома, тем больше тепла выделяется при реакции. Сама же реакция называется окислением. Фтор, кислород, хлор, бром, йод — вещества, имеющие сродство к электрону. Но фтор в природе в чистом виде не встречается. Хлор, бром и йод также в чистом виде не встречаются и, кроме того, обладают очень слабым сродством к электрону. Поэтому человек поставил себе на службу для получения тепла, еще не представляя физического смысла происходящего, экзотермическую реакцию окисления кислородом в виде горения. И хотя сейчас известно, что такую же способность, как кислород, имеют и фтор, и хлор, и другие вещества, все подобные реакции и со фтором и с хлором называются окислением, а не, например, офторением или охлорением.

Во всякой реакции окисления должно участвовать по крайней мере два вещества, из которых одно теряет электроны, а другое приобретает их (восстанавливается). Иногда встречаются вещества, атомы которых имеют очень большую склонность к потере электронов (например, натрий). В этом случае в качестве «окислителя» могут использоваться и нейтральные вещества (например, вода).

Как бы то ни было, в любых реакциях действует закон М. В. Ломоносова о сохранении энергии. В приложении к тепловым реакциям его можно толковать так: если вещество образовалось с поглощением извне какого-либо количества тепла, то независимо от пути прохождения реакции при разложении оно будет выделять такое же количество тепла; если же вещество образовалось с выделением тепла, то при разложении оно будет поглощать тепло в таком же количестве (закон, открытый в 1840 г. русским академиком Г. И. Гессом). Уголь, нефть образовались сотни миллионов лет тому назад с поглощением энергии Солнца, сейчас они, вступая в реакцию, дают свет и тепло. Азотная кислота при образовании выделяет тепло, а при разложении, наоборот, поглощает его из окружающей среды.


Тепло и температура

Здесь необходимо точно разделить понятие тепла и понятие температуры, хотя они и сопровождают друг друга.

Нагрев или повышение температуры тела с физической стороны следует понимать как увеличение средней скорости движения молекул (в случае жидкостей или газов), или усиление их колебаний (в случае твердых тел), т. е. увеличение внутренней энергии тела. Тепло же есть проявление способности тела передавать эту энергию другому телу — нагреть его или произвести какую-либо работу.

Если молекулы будут иметь большую скорость, но количество их в каком-либо пространстве мало (допустим, в разреженном газе), то, несмотря на высокую температуру (большую их скорость), большую работу они не сделают. Если их будет много в единице объема (при больших давлениях), масса их будет большая, то и работу они могут произвести большую. Это похоже на то, что, как бы ни суетился один человек, большую физическую работу он не сможет выполнить. Для массы же людей, даже при сравнительно размеренных движениях, нет никаких преград к достижению цели.


Тепло и свет

Мы говорим, что при горении выделяется тепло и появляется свет. Хотя и то и другое есть проявление выделившейся при реакции энергии, необходимо помнить, что передача этой энергии окружающим телам может идти различными путями. С одной стороны, движущиеся элементарные частицы горящих веществ при столкновении с такими же частицами других тел приводят их в более интенсивное движение. С другой стороны, передача энергии может происходить и без соударений с ними — лучеиспусканием. Необходимо заметить, что при всех своих состояниях вещество испускает лучи, но при обычных температурах они испускаются в виде света в таком малом количестве, что не воспринимаются глазами человека. Часть же лучистой энергии такого рода, что человек вообще ее не видит даже при большой ее интенсивности.

Все описанные явления каждый наблюдал неоднократно. Поднесите кусок металла к газовой горелке. Сначала вы почувствуете его нагрев только при прикосновении к нему рукой. Затем от него, как говорят, «пышет» жаром — испускаются невидимые тепловые, или инфракрасные, лучи, чувствительные на расстоянии, и, наконец, металл буреет, краснеет, в конце концов испускает характерный ослепительный свет белого накала.

Такую же картину мы наблюдаем при тепловых химических реакциях. Когда экзотермическая реакция идет медленно, выделяющееся тепло успевает рассеяться в окружающем пространстве, температура тел, участвующих в реакции, повышается незначительно. Когда экзотермическая реакция идет быстро, температура участвующих в реакции веществ довольно высока, мы видим яркое пламя, свет.

При дальнейшем повышении температуры, наряду с видимым светом, значительную долю начинают занимать в лучеиспускании невидимые ультрафиолетовые лучи, а при очень сильном нагреве — также невидимые рентгеновские лучи.


Из чего состоит топливо?

Рассматривая химическую тепловую реакцию окисления как основную, применяющуюся в современных ракетных двигателях, мы видим, что для реакции окисления необходимы два вещества. Первое вещество, от которого отбираются электроны, называется горючим. Второе вещество присоединяет электроны — оно называется окислителем. Под топливом нереактивных двигателей мы понимаем только горючее. Для реактивных же двигателей под топливом понимают и горючее и окислитель — все вместе. Ведь не всегда мы можем взять окислитель из окружающей среды — воздуха или воды. Правда, для воздушно-реактивных и гидрореактивных двигателей часто по-прежнему понимают под словом топливо только его горючее — керосин, бензин и другие вещества, но это только дань нашим прежним представлениям о топливе.

Иногда для создания химического процесса с выделением тепла недостаточно иметь только горючее или окислитель, необходимо иметь, например, добавки, ускоряющие химическую реакцию. Эти добавочные вещества называются катализаторами. Без них горючее может не загореться или химическая реакция будет идти крайне медленно. Применяются и добавки, замедляющие химическую реакцию, они называются ингибиторами. Ингибиторы добавляют тогда, когда есть опасность, что реакция пойдет так быстро, что освободившаяся энергия разнесет вдребезги и двигатель и саму ракету — произойдет взрыв. Ингибиторы добавляют также иногда, чтобы избежать разложения топлива при хранении его на складах, а также самопроизвольных взрывов и пожаров.

Кроме того, ингибиторы применяются для предохранения стенок цистерн или баков от разъедания топливом. Ингибиторы, замедляющие химическую реакцию, называются флегматизаторами, препятствующие разложению топлива при хранении его — стабилизаторами, а предохраняющие материал стенок емкостей с топливом от разъедания — ингибиторами коррозии.

В топливе могут быть и безразличные к химическому процессу вещества, придаваемые, например, для разжижения или загустевания топлива.

Все составные части химического реактивного топлива — горючее, окислитель и добавки — называются компонентами. Чаще всего катализатор, ингибитор и другие добавки не включают в понятие компоненты топлива из-за их незначительности в процентном отношении и особой роли в химическом процессе, а под компонентами топлива понимают только горючее и окислитель.


Рис. 10. Типы химических жидкостных ракетных топлив

Таким образом, топливо, состоящее из двух веществ — горючего и окислителя, называется двухкомпонентным, а состоящее из одного вещества — однокомпонентным. О том, в каких случаях на ракете для получения тепла в результате химической реакции можно обойтись одним веществом, будет подробнее сказано ниже — в главе III.


Какое должно быть топливо?

Еще К. Э. Циолковский заметил, что для двигателей ракет нельзя обойтись известными человечеству с древнейших времен топливами. Поэтому ученые всех стран, как только начали работать над постройкой реактивных двигателей, стали искать такие вещества, которые могли бы дать больше всего тепла, больше всего энергии при сгорании. Этими вопросами занимались и раньше многие специалисты, но их интересовало только горючее, которое они называли топливом; окислителями они почти не занимались, разве только тогда, когда приходилось рассчитывать воздуходувки для нагнетания воздуха в топки паровых котлов и компрессоры для подачи того же воздуха в цилиндры двигателей. Для независимых от среды реактивных двигателей окислитель так же важен, как и горючее.

Были теоретически изучены химические реакции многих соединений и сделано много практических опытов по их использованию. Часто эти опыты были небезопасны, иногда они кончались гибелью исследователей. И все это делалось для того, чтобы освоить такое топливо для ракеты, 1 килограмм которого дал бы большее количество тепла — килокалорий* — или, как говорят, большую теплопроизводительность. Эти исследования продолжаются и в настоящее время.
__________
* Напомним, что килокалорией называется единица тепла, равная тому количеству тепла, которое необходимо для нагрева 1 литра воды на 1 градус.

Наибольших успехов в них достигли советские ученые. То, что наши ракеты летят дальше всех, выше всех, что наши спутники больше по весу, чем американские, — заслуга ученых нашей страны, в том числе и ученых, освоивших топливо с наиболее высокой теплопроизводительностью.

Следует подчеркнуть, что теплопроизводительность, рассчитанная на 1 килограмм горючего (без учета окислителя) при сгорании его в кислороде или в воздухе, называется теплотой сгорания. Последней величиной удобно пользоваться для сравнения горючих между собой, когда окислитель еще не выбран, или для сравнения горючих всех зависимых от среды двигателей (воздушно-реактивных, двигателей внутреннего сгорания) и горючих, сжигаемых в топках паровых котлов.

Какие же еще, кроме высокой теплопроизводительности, требования предъявляют к ракетному топливу ученые и конструкторы?

Теплопроизводительность показывает только одно качество топлива — возможность получить то или иное количество тепла, чтобы превратить тепло в работу. Для других, нереактивных, тепловых машин можно всегда найти вещество, которое, отбирая от продуктов сгорания топлива тепло и нагреваясь само, будет производить работу. Такое вспомогательное вещество можно выбрать наиболее подходящим для этого, например воду, ртуть и др. Вещество в тепловой машине, которое непосредственно производит работу, называется рабочим телом.

В ракетных двигателях нет вспомогательного вещества, продукты сгорания химического топлива являются одновременно и рабочим телом. Поэтому очень важно, чтобы выделенное при горении тепло как можно полнее превратилось в работу при помощи продуктов сгорания топлива.


Рис. 11. Теплота сгорания (в килокалориях) некоторых горючих. Условно она показана и для того случая, когда атмосфера, в которой сжигается горючее, состоит не из кислорода или воздуха, а из фтора


Мы знаем, что реактивная сила будет больше, если при одинаковом количестве вещества скорость отбрасывания его будет больше. Скорость же будет больше, если будет больше объем горючих газов, образовавшихся из топлива. Значит, топливо будет тем лучше, чем больше будет у него способность к газообразованию.


Рис. 12. Сравнение теплопроизводительности (в килокалориях), рассчитанной на килограмм и на литр топлива (при таком отношении — стехиометрическом — горючего к окислителю, при котором они сгорают без остатка)


Еще К. Э. Циолковский рассчитал, что каждый килограмм топлива должен иметь наименьший объем, т. е. при равной теплопроизводительности то топливо будет лучше, которое будет тяжелее. В этом случае объем топливных баков будет меньше, вес их (без топлива) будет также меньше и сама ракета получится менее громоздкой.

Имея прежнюю реактивную силу, ракета достигнет большей высоты подъема.

Кстати, стремлением получить как можно более тяжелое топливо и объясняется то, что на ракетах не употребляется газообразное горючее. Как известно, газы в сотни раз легче жидкостей.

Требования к топливу — иметь большую теплопроизводительность и большее газообразование — можно объединить в одно требование — иметь большую удельную тягу (удельную реактивную силу). Под удельной тягой понимается тяга, которую можно получить при сгорании в реактивном двигателе килограмма топлива в течение секунды.


Рис. 13. Сравнение удельной тяги (в килограммах на килограмм и на литр топлива в секунду)


Но удельная тяга, отнесенная к килограмму топлива, не учитывает требования к топливу — быть наиболее тяжелым. Объединяет все три требования к топливу удельная тяга, получаемая при сгорании уже не одного килограмма топлива, а одного литра его*. Эта величина включает в себя и способность топлива дать больше или меньше тепла, и его способность образовывать больше газов и показывает, тяжелое или легкое это топливо.
__________
* Иногда удельная тяга, отнесенная к литру топлива, называется плотностью удельной тяги.

Но самое хорошее топливо и по своей теплопроизводительности, и по удельному весу, и по способности к газообразованию трудно применить на ракете, если оно будет опасно в обращении. Есть вещества, которые при сгорании могут дать хорошую теплопроизводительность, но очень ядовиты, взрываются, самопроизвольно возгораются или очень быстро испаряются. Значит, необходимо подобрать такое топливо, с которым удобно обращаться и которое легко хранить.

Когда же инженер-химик выберет топливо с хорошей теплопроизводительностью и безопасное в обращении, он еще должен подумать и о том, может ли его в достаточном количестве произвести промышленность, дешевое оно или дорогое. Сколько, например, стоит килограмм керосина? Копейки! А бораны — горючее на основе элемента бора,— по американским данным, 400 долларов (около 360 рублей) за килограмм! Некоторые ракетные топлива стоят еще больше. Если учесть, что иногда в одной ракете количество топлива измеряется тоннами и десятками тонн, то станет ясно, что цена топлива играет не малую роль при его выборе.


Рис. 14. Требования к реактивным топливам

Конструкторам ракет часто приходится сталкиваться и с другими, иногда противоречивыми, требованиями. Для достижения большей дальности полета ракеты выгоднее, чтобы топливо сгорало быстрее, но для лучшей управляемости ракеты целесообразнее, чтобы оно горело как можно дольше. Значит, конструктор должен искать какое-то решение, удовлетворяющее как то, так и другое требование.

Это только основные требования к обычным химическим топливам, а дальше возникают еще более трудные задачи при применении на ракетах «необычных», или, как говорят, «экзотических», химических топлив и, кроме химических, еще других топлив будущего.





Глава III

Борьба за энергию



Это спор человека с природой!..
Это фронт.
Рукопашная Света и Мглы.


Павел Антокольский


По ту сторону океана и в Стране Советов

Уже несколько лет подряд чуть ли не и еженедельно в газетах и по радио сообщается о неудачных запусках американцами боевых и исследовательских ракет с мыса Канаверал во Флориде. Ракеты взрываются при старте, при подъеме, они не выходят на расчетную траекторию, падают совсем не там, где они должны были бы упасть, теряются в джунглях Южной Америки или в водах Атлантического океана.

Официальная печать Соединенных Штатов Америки свои неудачи в освоении ракетной техники объясняет чисто техническими причинами, среди них часто мелькают такие, как «выход из строя системы управления ракетой», «неполадки топливной системы», неизученность применяемых топлив и другие. Но советскому читателю ясно, что они происходят главным образом из-за недостатков и пороков, лежащих вообще в основе капиталистического общества, капиталистического способа ведения народного хозяйства, спешки, ажиотажа, конкуренции между капиталистическими монополиями.

Миллиарды долларов американских налогоплательщиков, выброшенные в атмосферу, предназначены не на мирное соревнование в области науки и техники, не на познание природы и покорение пространства и времени, не на улучшение жизни человека и жизни грядущих поколений, а на гонку вооружений, на подготовку ракетно-ядерной войны против Советского Союза и стран социалистического лагеря, на служение озверелому империализму.

Советские ученые на основе глубоких исследований свойств топлива, подбора его и отработки топливной системы и всего ракетного комплекса создали совершенные межконтинентальные ракеты, с помощью которых были достигнуты известные всему миру успехи. В этом соревновании ученых социалистического и капиталистического лагерей первенство в ракетной технике прочно удерживается советскими учеными, любовно поддерживаемыми Коммунистической партией, Советским правительством и всем нашим народом. Достижения нашей науки служат делу мира, и все мысли и дела наших ученых направлены на создание счастья всему человечеству при надежной и крепкой защите нашей страны и стран социалистического лагеря.

Социалистический строй, строительство коммунизма в нашей стране являются той стартовой площадкой, с которой запускаются межконтинентальные ракеты, выводятся на орбиту спутники, идут к другим планетам межпланетные станции.

Советские ученые и инженеры, борясь за каждую дополнительную калорию в ракетных топливах, за лучшие конструкции топливных систем ракет, за глубокие знания процесса горения, идут впереди как разведчики тайн Вселенной.

Что же может гореть в реактивном двигателе ракеты, что может быть его горючим?


Нефтепродукты — знакомое горючее

Во-первых, в качестве горючего ракет могут применяться продукты переработки нефти. Теоретически можно сжигать почти все известные нам нефтепродукты: бензин, керосин, дизельное топливо и даже сырую нефть. Теплота сгорания их почти одинакова — примерно 10 000 килокалорий на килограмм горючего, или 8000 килокалорий на литр горючего, при сгорании в воздухе или в кислороде. Теплопроизводительность их на килограмм топлива, т. е. с учетом веса окислителя, значительно меньше. Например, если окислителем на ракете служит жидкий кислород, а горючим — керосин, килограмм топлива керосин + жидкий кислород дает около 2300 килокалорий. Все подобные топлива (нефтепродукт + жидкий кислород) приблизительно дают эту же цифру.

Однако при одинаковой теплопроизводительности другие физические свойства различных нефтепродуктов сильно отличаются друг от друга. Бензин очень жидкий, а мазут при низких температурах густой, бензин очень взрыво- и огнеопасный, мазут значительно меньше и т. п. Из всех нефтепродуктов больше всего подошел в качестве горючего для турбореактивных двигателей (на самолетах, крылатых ракетах) и некоторых зарубежных жидкостных ракетных двигателей (в баллистических ракетах) керосин.

Керосин не так опасен в обращении, как бензин, не такой густой, как мазут, не содержит вредных примесей, которые могли бы разъесть баки и трубопроводы, но дает почти такое же количество тепла, как лучшие авиационные бензины. Но если учесть, что керосин тяжелее бензина, а это, как мы знаем, очень важно, особенно для независимых от среды двигателей, то становится ясным, почему керосин чаще всего из всех нефтепродуктов применяется в независимых от среды двигателях и почти совсем вытеснил другие виды горючего в авиационных турбореактивных двигателях.

Ну, а бензин? Бензину в ракетных топливах отводится вспомогательная роль — его применяют вначале, когда необходимо зажечь топливо, так как вспыхивает он легко, даже при температурах до 35 градусов мороза при атмосферном давлении.

Чтобы сравнивать различные горючие по температуре вспышки, необходимо выяснить, как она происходит. Дело в том, что над поверхностью жидкого горючего всегда находятся пары этого горючего. Только при низких температурах их мало, а с повышением температуры их становится все больше и больше. При определенной температуре паров горючего становится настолько много, что достаточно поднести на мгновение спичку, раскаленный пруток металла или проскользнуть через пары электрической искре, как пары вспыхнут.

Температура, при которой вспыхивают пары горючего, называется температурой вспышки.

Но стоит убрать огонь, и пламя погаснет. Чтобы горючее все время выделяло достаточно газов для горения, чтобы жидкость все время горела, температура горючего должна быть выше температуры вспышки. Нижняя температура, при которой горючее горит и после поджига, называется температурой воспламенения.


Рис. 15. Что такое температура вспышки, воспламенения и самовоспламенения

Если температура вспышки для бензина 35 градусов мороза, а для различных сортов керосина от 15 до 57 градусов выше нуля, то температура воспламенения бензина всего на 1 градус выше температуры вспышки, а температура воспламенения керосина уже на несколько градусов выше его температуры вспышки.


Рис. 16. Сравнение теплоты сгорания (в килокалориях) реактивных топлив — нефтепродуктов — на 1 килограмм и па 1 литр горючего


Различают еще температуру самовоспламенения, т. е. ту температуру, при которой жидкость зажигается сама без внешнего огня. Эта температура значительно выше и температуры вспышки, и температуры воспламенения и равна приблизительно для керосинов и бензинов 250— 300 градусам.

В Советском Союзе опубликованы технические условия на четыре вида горючих, являющихся нефтепродуктами, для реактивных двигателей самолетов: Т-1, ТС-1, Т-2 и Т-5.

С химической точки зрения все нефтепродукты, в том числе и керосин, представляют собой смеси различных углеводородов сложного состава. Углеводороды — химические соединения, в состав которых входят только углерод С и водород Н. Оба эти элемента сгорают полностью в окислителях.

В керосине могут быть и нежелательные инородные вещества — сера, вода и механические примеси, но от них всегда стараются избавиться, так как примеси, например, могут засорить форсунки и топливо не попадет в камеры сгорания; сера может разъесть материал баков с горючим, вода, замерзнув под действием низких температур, забить трубопроводы и форсунки и прервать горение. Серы по техническим нормам допускается 0,25 процента, т. е. две с половиной тысячной части в топливе, золы же 0,005 процента — пять стотысячных частей, а вода в топливе вообще не допускается.


Спирт горит в ракетах

В качестве ракетных горючих могут применяться вещества, которые состоят из углерода С, водорода Н и кислорода О. К ним принадлежат спирты, в том числе самый распространенный в промышленности и в быту винный, или этиловый, спирт. Химическая формула винного спирта С2Н5ОН. Как горючее этиловый спирт употребляется для баллистических ракет в жидкостных ракетных двигателях. Как видно из формулы, в его составе, как и во всех спиртах, имеется связанный кислород. Поэтому теплопроизводительность спиртов ниже, чем нефтепродуктов, и спирты применяются как горючее в ракетах все реже и реже.

Винный спирт применяется не 100-процентный, а вместе с водой (до 25 процентов воды в спирте). Чем больше воды в спирте, тем меньше тепла он выделяет при сгорании. Но разбавление спирта водой повышает теплоемкость смеси, и отбор тепла при охлаждении смесью камеры сгорания будет больше — камера сгорания будет работать в лучших температурных условиях.

Кроме того, чистый винный спирт (100-процентный) очень дорогой, так как обычными способами перегонки его получить нельзя. А стоимость топлива играет не последнюю роль при его выборе, так как, например, двигатель ракеты средней дальности за 1 минуту сжигает несколько тонн 75-процентного винного спирта, двигатели ракет же большей дальности сжигают его десятками тонн.

В качестве горючего ракет употребляется также метиловый, или древесный, спирт, который имеет немного худшие свойства как горючее, но лучшие охлаждающие свойства и значительно дешевле.

Недостатком метилового спирта является то, что он очень ядовит. Отравление им может в легких случаях привести к полной потере зрения, а в тяжелых — к смертельному исходу. Он еще более опасен потому, что его часто путают с винным спиртом. Вот почему никогда и ни при каких обстоятельствах нельзя применять для любой цели спирт неизвестного химического состава, а во время работы с метиловым спиртом нужно тщательно избегать вдыхания его паров.


Рис. 17. Какие бывают горючие жидких химических ракетных топлив

Кроме этих спиртов, в качестве горючих могут применяться и другие спирты или их смеси.

Таким образом, нами установлены первые две группы горючих — группа углеводородов и группа спиртов.


Горючее загорается без огня

К третьей группе горючих относят амины и замещенные гидразины. В их составе нет кислорода, зато имеется азот N. Таким образом, они состоят из углерода С, водорода Н и азота N. К этим веществам относятся анилин C6H5NH2, ксилидин C6H3(CH3)2NH2, метилгидразин CH3NHNH2, диметилгидразин (CH3)2NNH2 и др.

Характерно для этих соединений, что при соприкосновении с некоторыми окислителями, например с азотной кислотой, они сами без какого-либо источника тепла извне воспламеняются. Это дает возможность использовать их для запуска ракетного двигателя. Стоит впустить такое горючее, например ксилидин, через форсунки в камеру сгорания, куда одновременно впрыснуть азотную кислоту, как возникнет факел, начнет работать ракетный двигатель, создастся устойчивый очаг огня. Достаточно в дальнейшем вместо ксилидина и азотной кислоты подавать другие, уже несамовоспламеняющиеся компоненты ракетного топлива, например спирт плюс жидкий кислород, и двигатель будет продолжать работать.

Можно было бы все время работать на самовоспламеняющихся топливах, но эти топлива обычно имеют плохие качества (пожароопасны) и дороги. Кроме того, в состав каждого вещества этой группы горючих входит азот, который не горит. Легко понять, что теплопроизводительность веществ этой группы будет меньше, чем, например, группы углеводородов. Однако азот выгоден тем, что увеличивает объем горючих газов, а значит, влияет в лучшую сторону на увеличение удельной тяги.


Что это — горючее или окислитель?

К четвертой группе относятся горючие, включающие кроме углерода С, водорода Н и азота N, еще и кислород О. Эти вещества называются нитросоединениями. То, что в состав их входит кислород, отделенный атомами азота от горючих водорода и углерода, делает эти вещества очень взрывоопасными. Вещества этой группы, которая включает нитрометаны — собственно нитрометн CH3NO2, нитроэтан C2H5NO2, тринитрометан CH(NO2)3 и тетранитрометан C(NO2)4, — тщательно изучаются специалистами ряда стран. В действительности некоторые из этих веществ могут быть горючим (в их составе углерод и водород), другие — окислителем (у них имеется кислород), они могут играть также роль однокомпонентных топлив, т. е. выполнять роль и горючего и окислителя. В настоящее время они обычно употребляются в качестве добавок к некоторым ракетным топливам.

Рассмотренные четыре группы веществ принадлежат к органическим соединениям. Органическими соединениями называют их потому, что из подобных веществ состоят живые организмы (животных и растений). Органических соединений известно сотни тысяч. Они часто очень сложны по составу и строению, но уже сейчас многие из них получают искусственно. Для всех органических веществ характерно, что они обязательно включают в свой состав углерод С.


Водород - горючее ближайшего будущего

К пятой группе уже неорганических веществ следует отнести неметаллы и их соединения. Среди неметаллических горючих следует выделить жидкий водород Н как вещество, имеющее самую высокую теплопроизводительность. Он очень легок, а потому считали, что его невыгодно применять на ракетах. Однако американцы проявляют в последнее время исключительный интерес к нему, развивая производство водорода, для использования его в жидком виде в качестве горючего в проектируемых двигателях космических ракет. Хранят водород при температуре ниже минус 252 градуса в специальных сосудах с двойными стенками; из пространства между стенками воздух выкачан. А раз нет воздуха, значит, нет молекул, которые могли бы переносить тепловую энергию из окружающей среды к жидкому водороду.

В эту же группу следует включить вещества, содержащие азот N и водород Н. К ним относятся аммиак NH3 и гидразин N2H4. ЭТИ топлива дают достаточную удельную тягу при низкой температуре горения. Очень важным свойством гидразина является то, что он с некоторыми окислителями может самовоспламеняться. Если один из атомов водорода в гидразине заменить группой, включающей углерод, так называемым углеродным радикалом, получится замещенный гидразин. Замещенные гидразины уже относятся к органическим соединениям, и о них говорилось при разборе третьей группы горючих.


Бороводороды — топливо реактивных торпед

К неметаллическим жидким горючим относят и бороводороды, т. е. соединения бора с водородом. Среди них в жидком состоянии при обычных температурах и давлениях находится пентаборан В5Н9. Декаборан В10Н14 в этих условиях уже твердый. Соединения бора еще изучаются. Опубликованы сведения, что они могут применяться в гидрореактивных двигателях, а также в качестве компонентов реактивных топлив или добавок к различным другим жидким горючим для повышения теплопроизводительности топлив и их удельного веса.


И металлы горят

В шестую группу горючих входят металлические горючие. Из металлических горючих за границей обращают внимание на бериллий, алюминий, литий, магний и другие металлы. Бериллий имеет очень большую теплопроизводительность, но очень дорог. Металлы применяют для добавки в жидкие горючие в виде порошков, взвешенных в этих жидкостях (суспензий). Они необходимы для увеличения удельного веса и повышения теплопроизводительности топлив. Впервые идею применить металлы в качестве горючих ракетных двигателей выдвинули талантливые ученики К. Э. Циолковского Ф. А. Цандер и Ю. В. Кондратюк еще в 20-х годах нашего века. Об употреблении металлов для горения в твердом состоянии будет рассказано в следующей главе.


Еще две группы горючих

Неметаллические и металлические вещества, замещая какую-либо составную часть органического горючего, могут создать новое вещество. Органические вещества, имеющие в своем составе неметаллы или металлы, обычно не входящие в органические соединения, называются неметалло-органическими или металло-органическими соединениями. Таким образом, седьмой и восьмой группами горючих следует считать соответственно группы неметалло-органических и метало-органических соединений.

К группе неметалло-органических горючих (седьмая группа) относят, например, бороорганические соединения — метилдиборан В2СН3, этилдиборан В2С2Н5, триметилборан В(СН3)3 и др.

В группу металло-органических горючих (восьмая группа) входят соединения типа триметилалюминия Аl(СН3)3.

О практическом применении последних двух групп горючих имеется мало сведений в печати, во всяком случае они применяются реже, чем остальные горючие.


Окислителей меньше, чем горючих

Но, как мы знаем, мало иметь на ракете горючее, необходимо иметь и окислитель. Если горючих можно подобрать много, то окислители пока еще считаются по пальцам. К жидкому кислороду мы можем добавить лишь вещества, содержащие его, — азотную кислоту, окислы азота, перекись водорода,— а также фтор с его соединениями и соединения хлора. Кроме того, очень привлекает как окислитель для реактивных топлив озон.


«Чистые» окислители

Озон — тоже кислород, но, как уже говорилось, каждая молекула его имеет не два атома кислорода, а три. Если кислорода примерно одна пятая часть в воздухе, то озона в воздухе незначительное количество.

Преимущество озона перед кислородом в том, что жидкий озон тяжелее жидкого кислорода. Жидкого кислорода в литре находится 1,13 килограмма, а озона — 1,46 килограмма, что, как нам известно, для ракет более выгодно. Кроме того, на образование озона из кислорода затрачивается тепло, которое выделяется дополнительно при сгорании в нем горючих. Жидкий кислород кипит при температуре минус 183 градуса, а озон — при температуре минус 111 градусов. Цвет жидкого кислорода светло-голубой, а озона темно-синий. Озон имеет свой особый острый запах. Его можно почувствовать после грозы, когда озона в воздухе больше, чем обычно. Способность кислорода превращаться в озон под действием электрических разрядов была использована учеными для получения озона искусственным путем. Для этого кислород пропускают в пространстве между двумя трубками, находящимися под очень высоким напряжением (10 000—30 000 вольт). Кислород, проходя в этом пространстве, под действием тихого электрического разряда превращается в озон. Озон можно получить и нагревом кислорода до очень высоких температур, а затем быстрым охлаждением полученного озона вместе с кислородом. Недостаток озона — его взрывоопасность. Достаточно попасть малейшим примесям в озон, как он, превращаясь в кислород и выделяя тепло, разлагается со взрывом. Поэтому для ракет в большинстве случаев пока применяется не озон, а кислород.

Существует много способов получения кислорода, но самый распространенный — получение его из воздуха глубоким охлаждением до температуры, при которой воздух превращается в жидкость. Затем из жидкого воздуха при температуре минус 190 градусов испаряется азот, и в жидкости остается только жидкий кислород, температура кипения которого минус 183 градуса.

Что касается такого окислителя, как фтор, то недостатком его считается очень большая ядовитость. Он находится в жидком состоянии при температуре ниже минус 188° С. Жидкий фтор в полтора раза тяжелее воды, т. е. он тяжелее жидкого кислорода и даже озона.

Пока фтор в связи с трудностями обращения с ним применяется редко. Хлор же в чистом виде при сгорании в нем веществ выделяет сравнительно мало тепла. Однако хлор может встречаться в качестве составной части сложных горючих и окислителей. В этом случае окислительные способности хлора также учитываются.


Рис. 18. Какие бывают окислители жидких химических ракетных топлив

Кроме «чистых» кислорода, озона, фтора и хлора, в качестве окислителей могут применяться и различные соединения их между собой или с другими веществами. Например, фтористый кислород (окись фтора) ОF2 — химическое соединение двух окислителей — кислорода и фтора; топлива на его основе характеризуются высокой теплопроизводительностью и высоким удельным весом.

Из соединений «нечистых» окислителей с другими веществами следует рассмотреть широко применяемые в реактивной технике азотную кислоту и перекись водорода.


Азотная кислота окислитель

Азотная кислота HNO3 в своем составе имеет активный кислород, т. е. кислород, который может быть использован для окисления горючего. В действительности


Азотная кислота имеет большой удельный вес (1,5). Если к азотной кислоте добавить четырехокись азота N2O4, то полученная Смесь будет называться красной дымящей азотной кислотой. Процент кислорода в смеси повысится. Интересно, что каждый литр смеси будет весить больше, чем литр составляющих в отдельности. Азотная кислота хороша для ракетных двигателей еще и тем, что при соприкосновении ее со многими органическими горючими горение начинается без всякого поджига. Это хорошее качество для работы ракетного двигателя является опасным при обращении с азотной кислотой, так как она может при попадании в нее ряда веществ возгораться или давать взрывы при хранении. Азотная кислота сильно действует на обычные металлы, разъедает их, поэтому для хранения ее применяют емкости из специальных легированных (улучшенного состава) металлов или чистого алюминия. Кроме того, для этой же цели ее разбавляют серной кислотой.


Ракетное топливо в одном баке

Перекись водорода Н2O2 — наиболее интересное вещество, применяемое в ракетных двигателях: оно может применяться как топливо, при разложении выделяющее тепло, или только как окислитель. В действительности в ее составе имеется в избытке кислород. Избыточный кислород является активным, и его можно использовать для горения:

2O2 = 2Н2O + O2 —> теплота.

Перекись водорода в любых количествах может смешиваться с водой. Поэтому различают слабые (около 3 процентов перекиси водорода), сильные (30—40 процентов) и маловодные (свыше 60 процентов) растворы перекиси водорода в воде. В медицине для промывки ран применяются обычно слабые растворы перекиси водорода, для косметики (обесцвечивания волос) — более сильные, называемые пергидролью. В ракетных двигателях применяются только маловодные растворы перекиси водорода (содержание перекиси водорода свыше 80 процентов).

Для ракетных двигателей гораздо лучше было бы пользоваться 100-процентной перекисью водорода, но такая перекись чрезвычайно дорога, взрывоопасна и замерзает при сравнительно высокой температуре, поэтому применяют 85—87-процентные растворы перекиси в воде. Хранить перекись водорода необходимо в исключительно чистой посуде, так как достаточно попадания незначительного количества некоторых веществ в маловодную перекись, как она начинает разлагаться с выделением тепла, может вызвать пожар и даже взрыв.

Вещества, способствующие разложению перекиси водорода, называются катализаторами. Но есть вещества, которые при добавлении их в перекись водорода делают ее устойчивой. Такие вещества называются стабилизаторами. Например, достаточно добавить 23 тысячных грамма фосфорной кислоты на литр (23 миллиграмма на литр) перекиси водорода, чтобы сделать ее более устойчивой. Если же перекись водорода продолжает разлагаться, следует добавить еще фосфорной кислоты. При пожарах необходимо перекись водорода разбавлять водой до 67-процентного состояния и ниже, когда она становится уже безопасной. Хранить перекись водорода необходимо в специально подобранных алюминиевых баках (свыше 99% чистого алюминия), так как медь, свинец и многие примеси способствуют ее немедленному разложению (являются катализаторами). При попадании перекиси водорода на кожу она может вызвать ожоги.

На примере перекиси водорода видно, что не обязательно, чтобы на ракете в отдельных баках находились горючее и окислитель: перекись водорода заменяет и то и другое. Такое нераздельное реактивное топливо называется унитарным или однокомпонентным.

Кроме перекиси водорода и других веществ, при получении которых было затрачено тепло, а значит, при разложении которых тепло должно выделяться, можно найти и другие однокомпонентные топлива. К этой второй группе однокомпонентных топлив относятся безопасные смеси горючего и окислителя.

В унитарное топливо, состоящее из смесей горючего и окислителя, можно превратить, например, азотную кислоту, если в ней растворить 60 процентов дихлорэтана C2H4Cl2. Здесь однокомпонентное топливо будет состоять из 40 процентов азотной кислоты (окислителя) и 60 процентов дихлорэтана (горючего). Интересно то, что окислитель — азотная кислота — в своем составе имеет горючие вещества (водород), а горючее—дихлорэтан — окислитель (хлор Сl2). Во избежание ошибки в определении названия компонента (горючее или окислитель) принято называть компонент в зависимости от того, чего больше в веществе — горючего или окислителя.

Другим веществом, которое может быть основой однокомпопентного топлива, является нитрометан CH3NO2.


Рис. 19. Какие бывают однокомпонентные (унитарные) топлива

Третьим однокомпонентным топливом можно назвать тетранитрометан C(NO2)4. Он тоже сам по себе может быть топливом, но обычно его смешивают со спиртами и другими веществами.

Однокомпонентные топлива хороши тем, что на ракете нет необходимости ставить отдельные баки для горючего и окислителя, устанавливать отдельные насосы и т. п. Все оборудование топливной подачи при применении однокомпонентных топлив значительно упрощается, вес его становится меньше. Однако все однокомпонентные топлива взрывоопасны. Это похоже на то, что в одной коробке хранятся спички и порох, недалеко и до беды.


Как подать топливо в камеру сгорания?

Когда горючее и окислитель для ракеты выбраны, необходимо задуматься, как же подать это горючее в камеру сгорания. Ведь в камере сгорания давление выше, чем в окружающей среде.

Для подачи топлива в камеру сгорания устраиваются системы подачи топлива. Они состоят из топливопроводов, клапанов, устройств для создания давления выше того, какое имеется в камере сгорания, и форсунок, из которых топливо впрыскивается непосредственно в камеру.


Рис. 20. Подача топлива в камеру сгорания турбореактивного двигателя

Если на крылатой ракете установлен турбореактивный двигатель, то достаточно на вал компрессора, который вращает турбина, установить топливный насос, и турбина одновременно с компрессором будет вращать и насос. Топливный насос будет под большим давлением гнать топливо к форсункам в камеру сгорания. Чем под более высоким давлением топливо будет впрыскиваться в камеру сгорания, тем на более мелкие капли оно будет распылено. Таким образом, одинаковое количество топлива, поступающего в одну секунду — секундный расход, разобьется на большее количество капелек. Общая поверхность мелких капелек (при высоком давлении) будет больше, чем вся поверхность больших капель (при низком давлении), значит, больше окислителя может смешаться с горючим и горючее быстрее сгорит без остатка.

Чтобы горючее еще лучше распылялось на мелкие капельки и лучше перемешивалось с окислителем, поток горючего заставляют закручиваться при выходе. Такие форсунки называются центробежными. Форсунки, у которых поток горючего при выходе не закручивается, называются струйными. Преимущество струйных форсунок в том, что они проще.


Рис. 21. Форсунки реактивного двигателя: а — струйная; б — центробежные

В воздушно-реактивных двигателях обычно ставят центробежные форсунки, так как секундные расходы топлива у этих двигателей небольшие и форсунок мало (единицы на двигатель). В жидкостных ракетных двигателях, где в камерах сгорания иногда сгорают за секунду сотни килограммов топлива, применяются и струйные форсунки.

В воздушно-реактивных двигателях топливный насос, работающий через передачу от вала турбокомпрессорного агрегата, подает в камеру сгорания только горючее, так как воздух для окисления поступает в камеру сгорания или от компрессора (турбореактивный двигатель), или силой набегающего (скоростного) потока воздуха (прямоточный воздушно-реактивный двигатель и др.). В гидрореактивных двигателях, где окислителем служит морская вода, иногда все же ставят и насос для подкачки воды, когда скоростного напора воды недостаточно для преодоления давления в камере сгорания.


Рис. 22. Насосная подача топлива в жидкостном ракетном двигателе

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель и гидрореактивный двигатель не имеют движущихся частей, а потому их топливные насосы должны иметь посторонний источник энергии. Таким источником могут быть аккумуляторы, дающие ток для движения электродвигателя насоса, или парогаз, движущий турбину топливного насоса*.
__________
* Для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, летящего на больших скоростях, используются также для привода насоса и ветрянки, вращающиеся встречным напором воздуха.

Для получения парогаза применяется чаще всего перекись водорода. Разлагаясь на воду и кислород при помощи катализаторов, она выделяет столько тепла, что продукты разложения нагреваются до температуры выше 500—700 градусов. Продукты разложения в виде смеси водяного пара и кислорода устремляются на лопатки вспомогательной турбины, на валу которой сидит крыльчатка топливного насоса, а последний подает топливо в камеру сгорания.

Такими же насосами, работающими на парогазе, оборудуются системы подачи жидкостных ракетных двигателей.

Но для жидкостных ракетных двигателей чаще всего в камеру сгорания необходимо подавать и горючее и окислитель, поэтому необходимо устанавливать два насоса—для окислителя и для горючего (при двухкомпонентном топливе), турбина при этом может быть и одна, но должна вращать оба насоса.

Парогаз может быть также получен сжиганием в парогазогенераторе основных компонентов топлива, применяющихся в ракетном двигателе, или специально подобранных для этой цели вспомогательных топлив.

В последнее время за рубежом для вращения турбины топливных насосов стали отбирать горячие газы прямо из камеры сгорания ракетного двигателя, и, таким образом, необходимость установки на ракете парогазогенератора отпала. У читателя может возникнуть вопрос, не похоже ли это на заколдованный круг. В действительности, для отбора горячих газов из камеры сгорания необходимо, чтобы там сгорало топливо, поданное насосами под большим давлением, а для того чтобы работали насосы, необходимы горячие газы. Но как быть в первоначальный момент, когда в камере сгорания еще нет газов, а значит, нет источника энергии для раскрутки турбины насосов.

В этом случае турбина топливных насосов раскручивается сначала газами, получающимися от сгорания небольшого порохового заряда в специальном устройстве (стартере), или запасенным на ракете сжатым воздухом. Как только турбина начнет вращаться, топливо станет поступать в камеру сгорания и сгорать в ней, горячие газы могут быть пущены на вращение турбины топливных насосов, устройство первоначальной раскрутки станет не нужным.

Топливная система, при которой топливо подается в камеру сгорания насосами, называется насосной.

Можно вместо забора топлива и нагнетания его в камеру сгорания насосами вытеснять топливо из топливных баков газами под большим, чем в камере сгорания, давлением. Такая система называется вытеснительной топливной системой.

Как же на ракете создать давление в топливных баках выше, чем в камере сгорания?

Это можно выполнить при помощи аккумуляторов давления.

Во-первых, давление в топливных баках можно создать маленькой вспомогательной камерой сгорания, работающей на тех же компонентах, что и основной двигатель, как это показано на рис. 23. Это будет жидкостный аккумулятор давления. Во-вторых, такую же вспомогательную камеру сгорания можно сделать пороховой. Тогда аккумулятор давления будет называться пороховым. В-третьих, можно на ракету заранее взять баллон воздуха высокого давления и запасенным воздухом вытеснять топливо из баков в камеру сгорания. Это будет воздушный аккумулятор давления.


Рис. 23. Вытеснительная система подачи топлива в жидкостном ракетном двигателе

Вытеснительная система подачи топлива проще насосной, но стенки баков при вытеснительной подаче получаются толстые, сами баки тяжелые. Не мудрено, ведь они должны выдержать давление в несколько десятков килограммов на каждый квадратный сантиметр (вместо примерно 1 килограмма —при насосной подаче). Такие баки называются нагруженными.

Но мало подать топливо в камеру сгорания, необходимо его зажечь в начальный период, пока еще в камере сгорания не создана высокая температура.

В воздушно-реактивных двигателях для «разжига» топлива употребляется электрическая искра. Искра получается от электрических свечей, подобных тем, которые устанавливаются в карбюраторных автомобильных двигателях.

В жидкостных ракетных двигателях, как уже говорилось, зажигание в настоящее время чаще всего производится при помощи самовоспламеняющихся пусковых топлив. Реже в камеру сгорания помещают пороховые шашки, которые зажигают перед подачей основного топлива при помощи электрической искры или электронагревательного элемента (подобно нагреву спирали электрической плитки).


Кочегары ракетных кораблей

Каждому ясно, что управление горением на ракете в полете пока еще происходит В подавляющем большинстве

случаев без помощи человека, за исключением тех случаев, когда, например, двигатель выключается по радио с Земли или космонавт включает для управления реактивным аппаратом вспомогательные реактивные двигатели. Подается пусковое топливо, прекращается его подача, включается в работу основное топливо, открываются и закрываются клапаны, вращаются насосы, прекращается горение — все сложное оборудование топливной системы ракеты действует по программе, заранее установленной на Земле ракетчиком-специалистом, а выполняют ее автоматические системы управления и регулирования.

Но даже при полете человека на реактивном аппарате, как это происходит в космических рейсах космонавтов, ему помогают автоматические системы. Это необходимо хотя бы потому, что при огромных скоростях полета космонавт не всегда сможет произвести маневр настолько своевременно и быстро, насколько это необходимо. Автоматика облегчает его труд и высвобождает время для изучения тайн космоса.





Глава IV

Джин, выпускаемый из бутылки



О, мой повелитель, ты говоришь, что всемогущ.
А сможешь ли ты залезть обратно в бутылку?


Из арабской сказки


Опять о древности

Взлетевшая в воздух в Китае две тысячи лет назад маленькая картонная ракета была начинена черным порохом. Хотя китайская ракета имела очень мало общего с современными сложными боевыми или исследовательскими ракетами, двигалась она на основании тех же законов, как и те многотонные ракеты, которые забрасывают в космос спутники и достигают в своем движении Луны, которыми можно поражать цели на расстоянии в тысячи километров и сбивать сверхзвуковые самолеты.

Черный порох был первым ракетным топливом. Он включает в себя горючее и окислитель, так как состоит из калийной селитры KNO3, древесного угля С и серы S. Кислород селитры является окислителем, а уголь и сера — горючим. Сера — плохое горючее, но она нужна потому, что, сгорая первой, подогревает углерод, создавая условия для соединения его с кислородом селитры.

Долгое время черный порох был единственным ракетным топливом. Но качества его как ракетного топлива плохие. Он выделяет при сгорании всего 600—700 килокалорий тепла на килограмм топлива. Этим в значительной степени и объясняется то, что ракеты долгое время не получали распространения. Только после открытия возможности применения в ракетах жидких топлив, дающих свыше 2000 килокалорий на килограмм топлива, появились проекты дальнобойных ракет.


Твердые растворы движут ракету

Немного дают в качестве ракетного топлива и так называемые ракетные коллоидные пороха, применяющиеся в настоящее время, хотя они все же имеют большую теплопроизводительность (970—1200 килокалорий на килограмм топлива).


Рис. 24. Сравнение теплопроизводительности (в килокалориях) твердых топлив (безусловно, на килограмм топлива, так как горючее и окислитель находятся вместе—их разделить нельзя)

Коллоидными эти пороха называются потому, что получаются при загустевании киселеобразных растворов — коллоидов. Коллоиды состоят из двух веществ: первого, жидкого—растворителя и второго — очень мелко раздробленных, плавающих в растворителе частиц.

В коллоидных порохах растворителем является нитроглицерин, а плавающими частицами — нитроклетчатка. После загустевания коллоидные пороха похожи на пластмассу. Кроме нитроклетчатки и нитроглицерина, в них входит для гибкости пластификатор (вазелин или воск), а также стабилизаторы.

Нитроклетчатка приготовляется из древесины или хлопка при обработке полученной из них клетчатки азотной кислотой. Нитроглицерин — сильно взрывчатое жидкое вещество. Как нитроклетчатка, так и нитроглицерин — органические вещества, состоящие из углерода С, азота N и кислорода О. При обычном состоянии атомы углерода в коллоидном порохе отделены от атомов кислорода атомами азота. Стоит же нагреть коллоидный порох, как эта стена из азота разрушается и атомы углерода непосредственно соединяются с атомами кислорода. Происходит тепловая реакция, твердый порох превращается в горячие газы.

Состав ракетного пороха примерно такой: нитроглицерина около половины, нитроклетчатки также около половины состава, остальное — пластификаторы и стабилизатор. Нитроклетчатка для порохов берется с 13-процентным содержанием азота. Такая нитроклетчатка называется пироксилином.


Горение и детонация

Обычно ракетные пороха, как и все пороха, горят по поверхности. Скорость такого горения небольшая — на воздухе несколько миллиметров в секунду, а под давлением — сантиметры в секунду. Только такое горение может быть использовано в ракетных двигателях. Но при определенных условиях (удар, быстрый нагрев) может возникнуть явление, когда порох загорится почти сразу по всему занимаемому им объему. Тогда мгновенно образуется огромное количество газов — в сотни раз большее по объему, чем занимает порох. Реактивное сопло не успеет пропустить такое количество газов, произойдет взрыв. Это явление, когда порох сгорает с колоссальной скоростью, называется детонацией. Скорость сгорания пороха при этом — скорость детонации — примерно несколько тысяч метров в секунду. Это значит, что склад боевых пороховых ракет, расположенный на несколько километров в длину, может взорваться в течение одной секунды. Детонации не будет, если обслуживающий персонал будет тщательно выполнять правила по хранению боеприпасов, а самое главное следить, чтобы боеприпасы не перегревались, чтобы вблизи них не происходило ударов, выстрелов, взрывов.

Детонация может быть не только порохов, но и многих других твердых и жидких топлив.

Другим недостатком пороховых топлив является то, что скорость горения их зависит от начальной температуры порохового заряда (т. е. от температуры их хранения). При очень низких температурах горение может быть вообще неустойчивым. Зависимость скорости горения от начальной температуры пороха влияет на величину тяги двигателя, а значит, на скорость ракеты и ее дальность. Это необходимо учитывать при пуске ракет с пороховыми ракетными двигателями в различных температурных условиях.


Необычные «пороха»

Твердые топлива все же более удобны при обслуживании ракет, чем жидкие.

Для твердых топлив нет необходимости в специальном оборудовании на земле или корабле для заправки ракеты, нет необходимости и в устройстве, подающем топливо в камеру сгорания, так как топливо уже находится там. Наконец, твердые топлива в эксплуатации похожи на пороха, а пороха — это обычные боеприпасы, такие же, как и в артиллерии. Вот почему американцы, у которых происходили частые неудачи с запусками ракет на жидком топливе, пытались создать такое топливо, которое было бы таким же мощным, как и хорошие жидкие топлива, но подобно пороху находилось в твердом состоянии. Эти новые твердые топлива представляют собой смесь твердых веществ — горючего и окислителя. Горючим в них служат асфальт, битум, разные виды каучука, а окислите лем — соли аммония, калия или лития, содержащие кислород. Такое топливо похоже на резину. Им, как тестом, в нагретом состоянии заполняют камеру сгорания, при охлаждении оно загустевает.


Как загнать джина в бутылку?

Управление горением всех твердых топлив — черного пороха, коллоидных порохов и других твердых топлив значительно сложнее, чем жидких.

Действительно, стоит на ракете с жидкостным ракетным двигателем поставить автоматические клапаны, которые в любой момент перекрывали бы подачу горючего и окислителя в камеру сгорания, и вопрос управления горением в камере решен. Прикрыли клапаны — горение уменьшилось, перекрыли их совсем — горение прекратилось. Но как сделать это, если горит твердое топливо?

Твердое топливо все находится в камере сгорания, его не перекроешь никакими клапанами. Если горение началось, остановить его невозможно.


Рис. 25. Твердое топливо все находится в камере сгорания

Есть такая восточная сказка: мальчик нашел на берегу моря кувшин, открыл пробку, а из горлышка кувшина выскочил великан — злой дух — джин. Великан хотел уничтожить мальчика. Правда, маленький мальчик хитростью заставил джина опять залезть в бутылку.

При обращении с твердым топливом необходимо проявить большую изобретательность, чем сообразительный мальчик из сказки.

Мы запустили ракету, т. е. зажгли топливо в камере сгорания. Сноп газов вырвался из сопла ракеты. Ракета понеслась ввысь. Но сила, которая действует на ракету, зависит от количества топлива, сгорающего в каждую долю секунды на ракете. Мы же знаем, что твердые топлива горят с поверхности. Значит нужно так расположить топливо в камере сгорания, чтобы с течением времени сгорали вполне определенные по объему слои топлива. Если необходимо, чтобы сила тяги ракеты возрастала, топливо должно сгорать быстрее; если сила тяги должна уменьшаться, топливо должно гореть медленнее. Обычно стремятся к тому, чтобы топливо сгорало равномерно.

Равномерное сгорание топлива можно, например, организовать, если поместить в камеру сгорания заряд, по форме похожий на толстую трубу. Торцы трубы необходимо покрыть специальным, негорючим составом (говорят— бронировать). Тогда при горении с течением времени внутренняя поверхность горения все время будет увеличиваться, а внешняя за это же время уменьшаться, и количество топлива, выгорающее за одно и тоже время, будет примерно одинаково.

Равномерно сгорает также сплошной заряд, открытый для горения только с одного торца, а также заряды более сложных форм (с каналом звездочкой, крестообразной формы).

Если же поверхность горения за каждый промежуток времени увеличивается, горение будет не равномерное, а, как говорят, прогрессивное; если же поверхность горения будет уменьшаться, горение будет дегрессивное. Сплошная шашка, бронированная только с торцов, даст дегрессивное (замедленное) горение, а шашка, бронированная снаружи и горящая только внутри, — прогрессивное.

Но регулировка силы тяги заранее не такая уж сложная задача — она решается подбором форм заряда. Значительно сложнее решается вторая задача: как прекратить горение в камере сгорания на летящей ракете. Ведь порох даже на земле в обычных условиях потушить очень трудно. На ракете же необходимо, чтобы горение прекратилось в какие-то доли секунды. Стоит задержать на секунду выключение ракетного двигателя, и ракета пролетит дальше на несколько километров от цели; стоит горению прекратиться раньше, ракета не долетит до цели.


Рис. 26. Как могут гореть пороховые шашки

В некоторых выполненных иностранных ракетах горение в случае необходимости не прекращают, а поворачивают с помощью заслонок (дефлекторов), установленных на сопле, струю горячих газов так, чтобы она не толкала ракету вперед, а затормаживала ее. Устройство ракетного двигателя твердого топлива при этом усложняется, а двигатель по-прежнему может быть запущен только один раз до полного выгорания топлива.

Поэтому за границей предлагают несколько методов прекращения горения зарядов в камере сгорания. Например, известно, что твердые топлива устойчиво горят только при высоких давлениях — выше 20—40 килограммов на квадратный сантиметр. Обыкновенно в камере сгорания реактивного двигателя твердого топлива давление значительно выше. Если мгновенно снизить давление в камере сгорания, что можно сделать, открыв специальные клапаны, выпускающие газ из камеры сгорания, горение в ней может прекратиться.


Рис. 27. Как прекратить работу двигателя твердого топлива

Ведутся также опыты тушения огня в камере сгорания созданием ударных воздушных волн. Их можно получить путем электромагнитного ускорения газа. Такие волны могут «задуть» огонь, как ветер свечу. Управление же ими будет очень простое, и горение будет прекращаться почти мгновенно. Так будет усмирен «дух», вырвавшийся из бутылки.





Глава V

На борту корабля в бесконечности



Тот, кто верой обладает
В невозможнейшие вещи,
Невозможнейшие вещи
Совершать и сам способен.


Генрих Гейне


Невозможное сегодня станет возможным завтра.

К. Э Циолковский (1911 г.)


Заводы в космосе

Стремлению человека все дальше и дальше проникнуть в космическое пространство природа поставила преграды. Химики не могут получить тепла от единицы веса вещества больше, чем дает самое лучшее химическое топливо, а возможности химических топлив не так уж велики. Как бы ни старались конструкторы уменьшить сухой вес — без топлива — ракеты, они не могут сплошь заполнить топливом ракету. Кроме топлива, на ракете должны быть полезный груз, аппаратура, двигатель, механизмы и корпус.

Для полетов на другие планеты и возвращения обратно, не говоря уже о полетах к другим звездным системам, человеку при применении обычных химических топлив понадобились бы огромные многоступенчатые ракеты, сравнимые по размерам и весу со знаменитыми египетскими пирамидами. Но египетские пирамиды строились из грубого нильского камня, а многоступенчатая космическая корабль-ракета должна быть смонтирована из самых дорогих материалов, оборудована сложнейшими механизмами и приборами. Топливо для заправки такой ракеты должны были бы подвозить океанские наливные суда. Диаметр первой ступени ее был бы равен десяткам метров, а высота сравнима с самыми высокими сооружениями в мире. Во время постройки ее инженеры должны были бы преодолеть исключительные трудности, чтобы это сооружение не развалилось прежде, чем оно будет построено, а если такую ракету и удастся построить, то чтобы она выдержала все перегрузки, возникающие при ее пуске и полете.


Рис. 28. Так выглядело бы сооружение для запуска на Марс космического корабля с экипажем из 8 человек, если бы он запускался с поверхности Земли, а двигатели его работали на обычном химическом топливе. Для сравнения справа показана Эйфелева башня в Париже, а слева — египетская пирамида Хеопса и сфинкс. На заднем плане наливное судно (танкер) подает топливо к ракете

Но еще Циолковский знал, что не обязательно запускать такие реактивные аппараты с земли. Разве нельзя их собирать на специальных промежуточных межпланетных станциях, постепенно подавая туда материалы, оборудование, топливо и жизненные запасы (воздух, продовольствие, воду) ракетами значительно меньших размеров? На межпланетных станциях для старта межпланетной ракеты необходимо преодолеть ничтожную силу тяжести, а сопротивление воздуха будет отсутствовать совсем, поэтому нет необходимости в двигателях колоссальных мощностей.

Такие станции, подобно современным спутникам, будут вращаться вокруг Земли. Можно подобрать их орбиты так, что станции будут как бы неподвижно висеть в небе, следуя за вращением Земли. На межпланетных станциях специалисты космических профессий строили бы корабли-ракеты для дальнейшего проникновения в Космос — для полета на планеты и другие небесные тела и для возвращения на Землю. Сами космические корабли при такой сборке получились бы в сотни раз меньше, чем если бы они строились на Земле.


Рис. 29. Космический ракетно-кораблестроительный завод на орбите

Но некоторые иностранные специалисты подсчитали, что даже и в этом случае для полета, например, на Марс экипажу из восьми человек и для возвращения его обратно понадобится корабль-ракета весом около 3000 тонн с двигателем, работающим на обыкновенном химическом топливе. Можно представить себе, как трудно будет забросить эти 3000 тонн — части ракеты, топливо, продовольствие, воду — на орбиту, собрать там межпланетный корабль, подготовить его к полету. Ведь вес первых советских космических кораблей-спутников, самых больших в мире, не превосходит шести тонн! Полезный же груз их, безусловно, меньше.

Конечно, развитие космического кораблестроения не остановится на этом. Все большие и большие грузы будут посылаться на орбиту. Придет время, когда и человек освоится в околоземном пространстве — научится не только пилотировать на орбите, но и строить там космические станции, заводы и, наконец, межпланетные корабли.

Необходимо все же вспомнить, что 3000 тонн на орбите— это полезный груз, который могут доставить туда только сотни ракет с общим весом на Земле около сотни тысяч тонн. Примерно свыше сотни железнодорожных составов должны оторваться от Земли и унестись к еле видимой с Земли светящейся в небе точке — космическому кораблестроительному заводу. Доставить их туда — на орбиту— нелегко. И подумать только, что все трудности возникают потому, что нельзя от обычного химического топлива получить столько тепла, сколько нам необходимо. Возможности обычных химических топлив не сулят в этом отношении никаких скачкообразных успехов.


Они существуют вместе

Здесь все время говорилось об обычных химических топливах, а может быть есть и необычные химические топлива? Нет. В обыкновенных условиях жизни человека их нет. Но раз ученые знают о них и знают, что они существуют при необычных условиях, то человек может создать искусственно и эти условия и само топливо. Это необычное химическое топливо — атомарное, или, как его еще называют, топливо на основе свободных радикалов.

Что же такое атомарное топливо? Почему о нем не знали раньше? Почему его нельзя добывать так, как добывают уголь и нефть, как производят азотную кислоту, жидкий кислород и другие компоненты ракетных топлив?

Весь вопрос состоит в том, что при нормальных давлениях и температурах атомы окружающих нас газов (азота, кислорода, водорода) соединены в молекулы. Каждая молекула этих газов состоит из двух атомов. Это их естественное состояние. Как нельзя ожидать, чтобы шар, пущенный под откос, самопроизвольно покатился вверх, так нельзя представить, чтобы молекула самопроизвольно распалась на атомы. Между атомами действуют силы, которые, как пружины, притягивают атомы друг к другу, и последние существуют только попарно. Если бы даже удалось разорвать молекулы на атомы, атомы вновь соединились бы друг с другом. И как отпущенная пружина, которая после освобождения может произвести какую-то работу — спустить ударник пистолета, пустить в ход часовой механизм, заставить работать пропеллер модели самолета, — так и атомы при своем соединении освобождают большую энергию, которая может быть превращена в работу движения ракеты.

Эта энергия в несколько раз больше, чем та, которая получается при сгорании самого лучшего обычного химического топлива. Если же составить топливо из атомарных водорода и кислорода и сжигать его в камере сгорания, то энергия будет выделяться как в результате соединения атомов в молекулы, так и вследствие сгорания водорода в кислороде.

Как видно из сказанного, атомарное топливо очень заманчиво для применения в реактивных двигателях. При таком топливе нет необходимости, например, для запуска спутников на орбиту строить многоступенчатые ракеты, достаточно для этого и одной ступени.

Если мы опять захотим с орбиты вокруг Земли отправиться в путешествие на Марс с тем же экипажем, то для этого понадобится ракета весом уже не 3000 тонн, а всего около 900 тонн. Значит, стоит бороться за то, чтобы получить атомарное топливо.

Ученые выяснили те условия, при которых атомы газов могут не соединяться в молекулы. Атомы газов существуют не в молекулярном состоянии в двух случаях: при очень высоких и очень низких температурах. Например, незначительное количество их есть в горящем пламени. В природе они бывают на больших высотах (примерно 100 километров от поверхности Земли). В лабораториях уже получены при температурах ниже минус 269 градусов атомарные устойчивые при хранении твердый кислород и твердый водород. Конечно, они добыты в мизерных количествах.

Если удастся организовать промышленное производство атомарных газов, наши возможности по завоеванию Космоса значительно увеличатся. Вес спутников Земли сильно возрастет, а сами ракеты будут меньше.

Высказываются соображения, что при полетах на высотах примерно 100 километров человеку вообще нет надобности запасаться каким-либо компонентом топлива для двигателя' своего корабля. На этих высотах под действием ультрафиолетовых лучей Солнца молекулы кислорода настолько возбуждаются, что распадаются на атомы. Если некоторый объем атмосферы в этих условиях сжать, то атомы кислорода вновь соединятся в молекулы, выделяя при этом большое количество тепла.


Рис. 30. Схема (в действительности все происходит сложнее) превращения молекулярного кислорода в атомарный, а атомарного в молекулярный под действием лучей Солнца на больших высотах

Самое сложное при изготовлении реактивного двигателя, работающего по этому принципу, то, что атмосфера на высоте 100 километров сильно разрежена и в единице объема ее находится очень мало кислорода. Поэтому двигатель хотя и будет очень прост по устройству, но большой по размерам (несколько десятков метров в диаметре при очень малых тягах), так как 1 килограмм кислорода будет иметь большой объем.

Подобный двигатель будет похож на летающую обыкновенную трубу. С переднего края в нее будет поступать вместе с атмосферой атомарный кислород. Примерно в середине трубы атомы кислорода будут соединяться в молекулы. Освободится большая энергия, которая поднимет температуру газов, они расширятся и вылетят из реактивного сопла с большой скоростью. Такой двигатель по принципу устройства похож на обычный прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Но в обыкновенном прямоточном воздушно-реактивном двигателе необходимо для получения горячих газов сжигать горючее — керосин. Для атомарного прямоточного воздушно-реактивного двигателя на борту ракеты никаких компонентов топлива иметь не надо — все берется из атмосферы. Для ускорения реакции соединения атомов кислорода в молекулы может только применяться катализатор, например золотая решетка на пути прохождения атомарного кислорода.


Рис. 31. Схема ракеты с двигателем, работающим на атомарном кислороде


Навстречу другим мирам

У читателя, конечно, уже давно возник вопрос: нельзя ли для движения ракеты использовать энергию, выделяющуюся при изменениях не с электронными облаками (химическая энергия), а внутри атомного ядра (атомная, или ядерная, энергия). Ведь уже давно работает атомная электростанция, прокладывает трассы в Арктике атомный ледокол «Ленин», а в морских глубинах ходят атомные подводные лодки. Нельзя ли использовать атомную энергию и для движения ракет?

Кажется проще всего попользовать для этого энергию направленного ядерного взрыва. Но пока еще не научились управлять им в такой степени, чтобы использовать его для движения ракет. Поэтому сейчас прибегают к промежуточному рабочему телу, которое нагревается теплом ядерных реакций.


Рис. 32. Ядерные ракетные двигатели

Уже сейчас известно, что в Америке испытывается атомный воздушно-реактивный двигатель. В нем воздух, проходящий через компрессор, нагревается не в камере сгорания, а в ядерном реакторе и дальше, отрабатывая в турбине и вылетая из сопла, создает реактивную тягу.

Но при полетах в космическое пространство невоз-т можно взять извне воздух—рабочее тело. Необходимо будет брать на борт корабля какое-то вещество, которое нагревалось бы в ядерном реакторе. Таким веществом может быть жидкий водород, который при нагревании занимает большой объем. Так как на ракете будет расходоваться только один компонент — водород, а расход ядерного горючего ничтожен, то ядерная теплообменная ракета будет значительно легче, чем любая химическая ракета, хотя на ней придется установить сравнительно тяжелый реактор. Собранная на орбите вокруг Земли ядерная теплообменная ракета для путешествия на Марс будет весить всего примерно 300 тонн.

Еще легче получится ракета, в двигателе которой атомы вещества — рабочего тела — будут разгоняться электрическим или магнитным полем перед выходом из сопла ракеты. Скорости выхода частиц вещества из такой ракеты намного превосходят (в десятки раз) скорости выхода газов из ракет, работающих на лучших химических топливах. Поэтому и вес межпланетной ракеты для нашего путешествия с орбиты вокруг Земли на Марс и обратно составит всего около 200 тонн, т. е. приблизительно столько же, сколько весят зарубежные межконтинентальные ракеты.

Описанные двигатели называются электроракетными. Необходимо заметить, что для создания электрических и магнитных полей на борту корабля-ракеты необходимо иметь источник электроэнергии, например электрический генератор. Таким источником, вероятно, будет ракетная ядерная электростанция.

Для разгона атомов рабочего вещества в электрических ракетах их необходимо раньше превратить в ионы, т. е. в электрически заряженные атомы, путем отбора от них электронов, иначе на них не окажет действия электрическое или магнитное поле.

Превращение вещества в ионы может быть выполнено путем нагрева его до очень высоких температур — несколько тысяч градусов. Вещество при этой температуре теряет полностью или частично свои электроны и образует особый газ, называемый плазмой. Но таких температур не выдержит ни один материал стенок камер сгорания. Тогда, оказывается, можно создать магнитное поле, которое не допустит струю раскаленного вещества до стенок камеры. Магнитное поле будет удерживать плазму на определенном расстоянии от стенок. Двигатели, в которых реактивная струя создается ускорением плазмы, называются плазменными.

Некоторые вещества (например, цезий или рубидий) могут легко терять электроны при прохождении их паров через металлические (платиновые) сетки, нагретые до сравнительно небольших температур (примерно 1000° С). Полученные таким путем положительно заряженные ионы легко ускоряются электрическим полем до очень больших скоростей— примерно 100 километров в секунду. Удельная реактивная тяга при этом получится в десятки раз больше, чем при применении самых лучших современных химических топлив. Реактивные двигатели в этом случае называются ионными.

Что же считать топливом в ядерных и электрических ракетных двигателях? Конечно, то вещество, которое нагревает или нагревает и ускоряет рабочее тело, а рабочее тело, вылетая из реактивного сопла и непосредственно создавая реактивную тягу, играет роль промежуточного вещества, как вода в паровых котлах паровых турбин и машин.


Рис. 33. Электрическая ионная ракета

В ядерной теплообменной ракете ядерное горючее непосредственно нагревает рабочее тело, а в электрической ракете сначала в ракетной ядерной электростанции ядерная энергия превращается в тепловую (в реакторе), тепловая — в механическую (в турбине), механическая — в электрическую (в электрогенераторе), а электрическая энергия — опять в механическую (в разгонной камере электрического ракетного двигателя). Такое сложное превращение все же оправдывается колоссальными скоростями, развиваемыми в реактивном сопле электрической ракеты.

Но скорости, развиваемые плазменными и ионными ракетами, все же недостаточны для путешествий вне пределов Солнечной системы. Ведь даже для полета до ближайшей звездной системы при скоростях в несколько десятков тысяч метров в секунду понадобилось бы 20 тысяч лет. Для таких полетов топливом ракеты будут служить вещества, атомные ядра которых при различных превращениях внутри них будут испускать мощные потоки света. Свет, исходя из ракеты и отражаясь от ее зеркал, которые в этом случае заменят реактивное сопло, создаст реактивную тягу. Свет же движется со скоростью 300 000 километров в секунду, т. е. со скоростью в тысячи раз большей, чем может создать любое ракетное топливо. По современным понятиям, большей скорости, чем скорость света, нет и не может быть.


Рис. 34. Сравнительные размеры ракет с различными видами топлив для полетов с орбиты Земли на Марс и обратно

Ракета, работающая на этом принципе, называется фотонной. Фотоны — это, как мы уже знаем, частицы света.


Рис. 35. Фотонная ракета-корабль для полетов вне Солнечной системы

Свет можно использовать не только для движения ракеты, но и для управления ею. Например, Солнце несет в мировое пространство большое количество световой энергии. Русский физик Лебедев в 1902 г. доказал, что свет так же оказывает на тела давление, как, например, струя воды на стенку, ветер на парус. Почему же нельзя использовать это давление для управления ракетой? Правда, оно ничтожно, но и силы, которые необходимы для движения и управления ракетой в межпланетном пространстве, ничтожны. Это только вблизи планет — Земли, Марса, Венеры и других — силы тяжести сковывают движение, а дальше они уменьшаются очень быстро. Будущий космонавт, выпустив зеркальный парус из ракеты, может управлять ракетой в космосе, как яхтсмен обыкновенным парусом яхты в море.


Рис. 36. Межпланетная ракета управляется солнечным парусом

Ядерные, электрические и фотонные ракеты требуют обязательного запаса рабочего тела на борту ракеты на весь рейс—«туда» и «обратно». Человеческая мысль не остановилась на этих проектах.

Сейчас появились проекты новых электроракетных двигателей, для которых рабочее вещество берется прямо из космического, межзвездного пространства. Прежние понятия о межзвездном пространстве как абсолютной пустоте наука в настоящее время отвергла окончательно. В космическом пространстве находится сильно разреженный ионизированный водород, космическая пыль.

Если эти частицы ракета, встречая на пути, уловит в диффузор своеобразного прямоточного двигателя, а в специальной ядерной камере сгорания разогреет до плазмы и выбросит с большой скоростью через сопла, то можно получить реактивную тягу для движения ракеты.

Запасы рабочего тела и энергии, имеющихся в космосе, не определяются только этими примерами. Космос пронизан силовыми полями — гравитационными (силы тяжести) и электромагнитными.

Например, если космический корабль приближается к какой-либо планете, то сила тяжести будет сообщать ему ускорение. Разгон ракеты этим способом может быть использован для полета к следующему небесному телу.

Проходя электромагнитные поля, космический корабль может получить то или иное ускорение или даже изменить направление своего движения на обратное.

Дальнейшее изучение космического пространства может привести к находке совершенно новых принципов движения космических кораблей.

Может быть, для наших потомков путешествия на другие планеты и звездные системы будут такими же обычными, как в настоящее время прогулки за город в выходной день. Ведь поется же в нашей песне: «До самой далекой планеты не так уж, друзья, далеко».

Проблемы, связанные с ракетными топливами, не так просты. Еще много необходимо сделать (и не только в изучении ракетных топлив) для свободных путешествий в межзвездные пространства. Но шаг за шагом человечество все глубже и глубже будет проникать в тайны мироздания, все шире и шире будут открываться горизонты перед человеческим разумом.


Рис. 37. Удельная тяга реактивных двигателей с принципиально различными топливами в килограммах тяги в секунду на килограмм топлива или рабочего тела

Читатель познакомился в этой книге только с одной, хотя и очень важной отраслью ракетной техники, узнал о зарождении взглядов на ракетное топливо, о применении его в современных ракетных двигательных установках, о проектах ракетных двигателей, которые могут работать на совершенно новых топливах. От черного пороха до потоков света (рис. 37), от обыкновенных химических источников энергии до применения ядерной энергии (рис. 38) для движения ракет — таков частично пройденный и предполагаемый путь развития учения о ракетных топливах.


Рис. 38. Какие бывают и какие могут быть реактивные топлива

Советские люди умеют не только мечтать, но и созидать. XXII съезд Коммунистической партии Советского Союза указал конкретные пути построения коммунистического общества в нашей стране. При коммунизме будут созданы невиданные условия для развития народного хозяйства, науки и техники, для развития всех духовных способностей человека нового общества. Может быть, многие наши читатели, особенно молодежь, уже в процессе построения коммунизма станут сами творцами будущих космических кораблей, сотрудниками межпланетных станций, участниками межпланетных экспедиций.

Советский народ, верный идеалам Владимира Ильича Ленина, идет впереди в штурме человечеством Вселенной.


Скачать эту книгу 1963 года:
npbvi-kulinich-d_d_-ogon-jenergija-raketa-1963.djvu [2,11 Mb] (cкачиваний: 11)

Издание 1969 года с дополнениями:
npbvi-kulinich-d_d_-slovo-o-raketnom-toplive-1969.djvu [1,86 Mb] (cкачиваний: 4)

Даниил Даниилович Кулинич
1963

https://www.perunica.ru/nauka/9929-ogon-jenergija-raketa-o-reaktivnyh-toplivah.html  



+5


Категория: Наука и Техника   Теги: Книга онлайн

Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.