В небе завтрашнего дня

Хорошо известен и еще один метод разгона заряженных частиц с помощью электричества до колоссальных, субсветовых скоростей. Этот метод используется в целой армаде разнообразных ускорителей элементарных частиц в лабораториях ядерной физики. Названия подобных ускорителей — циклотрон, синхрофазотрон и другие — стали своеобразным символом нашего атомно-космического века. В вакууме рабочей камеры ускорителей разгон элементарных частиц — электронов, протонов и других — осуществляется электростатическим полем, действующим на основе хорошо известного каждому школьнику закона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Нельзя ли использовать тот же метод и для разгона рабочего вещества ракетного двигателя?

Что же, все три указанных метода, с помощью которых электричество в состоянии ускорить частицы рабочего вещества, действительно исследуются и даже уже используются ракетной техникой. Создаются и испытываются разные типы электрических ракетных двигателей, делящихся на три группы в зависимости от примененного метода разгона. Об этих двигателях уже упоминалось выше, в главе VI, в которой шла речь о новых типах «экзотических» реактивных двигателей.

В электротермических (или электродуговых) ракетных двигателях рабочее вещество нагревается до высокой температуры в электрической дуге, а затем вытекает с большой скоростью, расширяясь в реактивном сопле обычного типа.

В плазменных (или электромагнитных, еще — магнитогидродинамических) ракетных двигателях созданная тем или иным способом плазма рабочего вещества разгоняется до очень больших скоростей путем взаимодействия с электромагнитным полем.

В ионных (или электростатических) ракетных двигателях, более подробно описанных в главе VI, частицы рабочего вещества сначала ионизируются, то есть приобретают электрический заряд, а затем разгоняются до весьма больших скоростей в электрическом поле.

Как бы ни были устроены электрические ракетные двигатели космического корабля, на его борту должен находиться источник электрического тока для питания двигателей. Это, конечно, очень неприятная особенность электрических межпланетных кораблей, ибо в обычных химических двигателях «энергостанция» как бы находится внутри самого двигателя, в его камере сгорания. Здесь же нужна специальная установка, в которой должна генерироваться электрическая энергия за счет расходования энергии какого-нибудь другого вида.

В общем случае возможны три вида такой энергии — химическая, атомная и солнечная. Но легко видеть, что для электростанции достаточно большой мощности ни химическая, ни солнечная энергия не годится. Первая требует слишком больших количеств топлива на борту корабля, и мы возвращаемся, таким образом, и в сильно ухудшенном виде, к основным недостаткам обычных ракетных двигателей. Вторая просто недостаточна по величине, ее улавливание в больших количествах требует столь огромных поверхностей солнечных коллекторов, что становится практически неприемлемым.

Только атомные реакторы, широко применяющиеся уже на атомных электростанциях, атомных надводных и подводных судах, могут решить задачу. Конечно, это должны быть специально спроектированные легкие и мощные реакторы, но по характеру происходящих ядерных реакций они будут такими же. Эти реакторы будут основой атомной электростанции, питающей электрические ракетные двигатели корабля.

Но одного реактора мало. Как преобразовать выделяющееся в нем тепло в электрическую энергию? Такие преобразователи могут быть различными по типу, даже если говорить только об уже разрабатываемых. Наиболее реально, по крайней мере на первое время, применение обычного турбогенераторного преобразователя, как и во всех других уже существующих атомных силовых установках. В этом случае какое-либо рабочее вещество (правда, не вода, как обычно, а, вероятно, некоторые расплавленные металлы, например натрий, или калий, или же ртуть) испаряется в атомном реакторе, затем расширяется, производя полезную работу, в турбине, приводящей во вращение электрогенератор, и наконец снова превращается в жидкость в огромном конденсаторе-радиаторе, отдавая тепло конденсации излучением в космос.

В будущем же более вероятно использование различных методов непосредственного, безмашинного преобразования тепла, выделяющегося в атомном реакторе, в электроэнергию. Тут могут найти применение термоэлектрические, термоэмиссионные и другие преобразователи, в которых используются многие новые достижения современной физики.

Так или иначе, атомная электростанция будет непрерывно подавать по проводам ток в электроракетный двигатель корабля, в котором чудесная сила электричества создаст стремительную реактивную струю вытекающих из двигателя частиц. Сам по себе этот двигатель — » ускоритель частиц и представляет собой третью (после атомного реактора и преобразователя энергии), основную, заключительную часть электроракетной силовой установки межпланетного корабля.

Мы лишь вскользь упомянули о необходимой большой мощности бортовой космйческой электростанции корабля. Однако это замечание не просто заслуживает расшифровки, но и касается, пожалуй, самого уязвимого места электроракетных двигателей.

Проект атомной электроракетной автоматической межпланетной станции (США). Внизу — принципиальная схема атомной электроракетной силовой установки (по журналу «Микеникел инжиниринг», август 1962 г.).

Легко видеть, что мощность бортовой электростанции должна быть больше, чем полезная мощность самого двигателя, — ведь неизбежны различные потери мощности. Но отвлечемся, простоты ради, от потерь и будем считать, что эти мощности одинаковы. Какова же их величина?

Обычно, когда речь идет о всем многоликом и обширном семействе реактивных двигателей, то о мощности не упоминают вовсе. Это об автомобильном, тепловозном, судовом двигателе, не говоря уже об установленном на электростанции или где-нибудь на заводе, разговор начинают всегда с мощности. В таких случаях мощность — первая и главная характеристика двигателя, ибо он и предназначается именно для того, чтобы развивать мощность на валу.

Другое дело — реактивный двигатель. Его задача — создавать реактивную тягу, и величина тяги есть основная характеристика любого такого двигателя. Мощностью же реактивного двигателя обычно интересуются разве что в каких-либо специальных случаях.

Но электрические ракетные двигатели нуждаются в бортовой электростанции, ничем принципиально не отличающейся от любой другой, земной. Естественно, что основной характеристикой такой станции должна быть мощность. Потребная величина этой мощности полностью определяется мощностью самого ракетного двигателя — как видите, здесь уж, хочешь не хочешь, приходится интересоваться такой мало привычной для ракетной техники величиной, как мощность двигателя.

Полезная мощность ракетного двигателя равна той кинетической энергии, которую несет с собой струя вытекающих из двигателя газов. Ведь именно в эту энергию переходит в результате работы двигателя расходуемая в нем энергия какого-либо другого вида — химическая, ядерная или электрическая. Но, как известно, кинетическая, или скоростная, энергия струи газов определяется (при неизменном количестве этих газов) квадратом скорости газов в струе. Когда скорость возрастает вдвое, кинетическая энергия струи и, следовательно, мощность двигателя увеличивается в 4 раза.

Это делает совершенно очевидной следующую роковую закономерность: если при прежней тяге скорость истечения возросла, то настолько же возрастет и мощность двигателя. Понятно, почему такая закономерность является действительно роковой. Ведь мы заботимся о преодолении «барьера скорости истечения», то есть о всемерном увеличении этой скорости, что, оказывается, неизбежно связано со столь же быстрым увеличением мощности.

Помните сообщение о величине мощности двигателей советской ракеты, с помощью которой был выведен на орбиту космический корабль-спутник «Восток» с Ю. А. Гагариным на борту? Эта мощность равнялась 20 миллионам лошадиных сил. Если сохранить величину тяги двигателей и увеличить скорость истечения, допустим, в 100 раз (примерно такова непосредственная цель электроракетных двигателей), то мощность возрастет до 2 миллиардов лошадиных сил! Стоит ли говорить о том, что подобную мощность, в сотни раз превосходящую мощность крупнейших ГЭС, вроде Братской, бортовая электростанция иметь не может?