Всё о космических путешествиях за 60 минут - Пол Парсонс
Ракетостроение
Современные ракетные двигатели бывают нескольких основных типов. Самые простые, как и их ранние предшественники, работают на твердом топливе, похожем на порох. Боковые ускорители, расположенные по обеим сторонам шаттла, представляют собой твердотопливные ракеты, работающие на алюминиевом порошке, который сжигается при использовании окислителя, перхлората аммония. Они потенциально опасны – как римские свечи: после запуска их уже нельзя выключить или хотя бы скорректировать их мощность. С другой стороны, двигатели на жидком топливе, разработанные Робертом Годдардом (см. главу 1), более управляемы. Однако цена, которую приходится за это платить, – дополнительная сложность (и, следовательно, повышенная вероятность сбоя) в виде насосов и топливопроводов, а также инжекторов, обеспечивающих тщательное перемешивание топлива перед сжиганием.
Мне захотелось узнать, что же на самом деле заставляет человека по собственной воле забираться на верхушку огромной свечи… и ждать, пока зажгут запал?
Том Вулф. Битва за космос (1979)
В жидкостных ракетах топливо и окислитель обычно хранятся по отдельности – это так называемые двухкомпонентные двигатели. Например, первая ступень ракеты «Сатурн-5», которая доставляла астронавтов «Аполлона-11» на Луну, имела два топливных бака: один для керосина, а другой был заполнен чистым жидким кислородом для сжигания керосина. Эти два топлива отдельно подавались в двигатель, где они смешивались перед сгоранием. Жидкий кислород – распространенный окислитель, часто используемый в ракетных двигателях. Для того чтобы он находился в жидком состоянии, его температура должна быть ниже – 183°С, и именно поэтому иногда можно увидеть лед на внешней стороне жидкостной ракеты, стоящей на стартовой площадке. Куски этого льда затем эффектно отрываются во время запуска.
Есть также однокомпонентные жидкостные двигатели, работающие только на одном баке с топливом. Им, как правило, оснащаются более мелкие ракеты и двигательные установки, используемые для ориентации космических аппаратов в пространстве после того, как те покинут Землю. Подходящее топливо для такого двигателя – гидразин (H2N – NH2), который при прохождении через катализатор распадается на высокотемпературную смесь из водорода, азота и аммиака для создания тяги.
Существует еще один тип ракетных двигателей, на границе между твердотопливными и жидкостными, – гибридный. В таких двигателях используется твердое топливо и жидкий окислитель, что делает их менее сложными, чем жидкостные двигатели, и в то же время более управляемыми, чем твердотопливные. Разработанный Mojave Aerospace Ventures SpaceShipOne, который в 2004 году осуществил первый частный космический полет, имел гибридный двигатель, использовавший полибутадиен в качестве топлива и закись азота в качестве окислителя.
Во всех типах двигателей высокотемпературный газ под высоким давлением, возникающий в результате сгорания, необходимо превратить в высокоскоростную струю выхлопных газов. Делается это с помощью сопла – конусообразного отверстия, которое находится непосредственно под камерой сгорания. Одно из самых эффективных – сопло Лаваля. В 1888 году изобретатель Густаф де Лаваль предложил использовать созданное им сопло в паровых турбинах. Оно состоит из трубки, которая асимметрично сжимается на стороне впуска, где в нее входит горячий газ, а затем расширяется в плавно изогнутую колоколообразную форму для выталкивания выходящих газов с противоположной стороны. Сопло Лаваля может преобразовывать газ, образующийся внутри типичного ракетного двигателя, в сверхзвуковую выхлопную струю, движущуюся со скоростью в тысячи метров в секунду.
Один из самых мощных ракетных двигателей на сегодняшний день – жидкостный двигатель Raptor («Хищник»), разрабатываемый компанией SpaceX для сверхтяжелой ракеты Starship («Звездный корабль»). Во время огневого испытания в феврале 2019 года Raptor установил рекорд по максимальному зарегистрированному давлению в камере сгорания – 2689 Н/см2. Это примерный вес большого автомобиля, сконцентрированный в квадрате со стороной 2 см. Когда разработка Raptor будет завершена, ожидается, что конечное давление в камере достигнет 3034 Н/см2, а сопло Лаваля разгонит поток выхлопных газов до поразительных 3400 м/с (12 240 км/ч), что в десять раз превышает скорость звука в воздухе.
1 United Launch Alliance – совместное предприятие, принадлежащее компаниям Boeing и Lockheed Martin.
Под действием импульса
Скорость выхлопа – один из показателей эффективности ракетного двигателя, это доля всей химической энергии, запасенной в топливе, которая в конечном итоге может быть преобразована в движение ракеты. Сопло Лаваля резко повышает скорость выхлопных газов, делая ее сверхзвуковой, тем самым увеличивая эффективность с нескольких процентов до, как правило, более 60 %. Это очень высокий показатель, учитывая, какими шумными и малопродуктивными могут казаться ракеты.
Еще одна мера эффективности ракет – удельный импульс. Это общая величина тяги, которую двигатель генерирует на единицу массы сгоревшего топлива. Тяга – направленная вверх сила, толкающая ракету. Она действует против направленной вниз силы тяжести, оказывающей воздействие на массу ракеты. Чтобы ракета взлетела, тяга должна превышать вес.
Вполне возможно, что двигатель окажется очень неэффективным (то есть с низким удельным импульсом и низкой скоростью выхлопа), но при этом все равно будет обеспечивать тягу, необходимую для взлета. И наоборот, существуют чрезвычайно эффективные двигатели, которые, хотя и прекрасно используют свое топливо, не образуют достаточно тяги, чтобы преодолеть силу притяжения и оторваться от Земли.
Один из таких двигателей – ионный. Вместо того чтобы задействовать химическую энергию, выделяемую при сгорании, для создания высокоскоростной выхлопной струи электрические поля в нем используются для ускорения заряженных частиц топлива до невероятных скоростей – до 50 000 м/с, а это более чем в десять раз выше того, на что способны двигатели в обычных ракетах. Тем не менее скорость, с которой эти частицы выбрасываются, настолько мала, а их тяга так слаба, что они едва способны оторвать от Земли несколько граммов.
Когда вы готовитесь к запуску в космос, вы сидите на большой бочке с взрывчаткой, ожидая, когда та рванет.
Салли Райд (1988)
Вы наверняка задаетесь вопросом (что вполне справедливо), для чего в таком случае нужны ионные двигатели. Оказывается, высокая эффективность последних проявляется в глубоком космосе, вдали от сильной гравитации планет. Запущенный в космос обычной ракетой космический корабль, работающий на ионной тяге, расходует свое топливо медленно, но разумно в течение недель, месяцев и даже лет – постепенно накапливая большую Δv из сравнительно малой массы топлива, что позволяет ему преодолевать огромные расстояния в космическом пространстве.
