Зависимости, описывающие конкретные значения скорости истечения, достаточно сложны и мы на них не будем останавливаться. Кроме того, двигатели с переменной скоростью истечения трудно осуществить на практике. Поэтому двигатели с разделенными источниками энергии и отбрасываемой массой целесообразно характеризовать некоторой средней скоростью истечения. Минимальный запас энергии на борту ракеты (характеризуемый, например, массой урана-235) достигается при скорости истечения, равной примерно 62 % от величины характеристической скорости, и числе Циолковского, равным 4. И наоборот, если заданы запас энергии па борту и характеристическая скорость, то данное оптимальное значение скорости истечения соответствует максимально возможному полезному грузу ракеты.
Отсюда следует, что в двигателях с разделенными источниками энергии и отбрасываемой массы скорость истечения не должна превышать оптимальной величины, определяемой конкретной задачей космического полета. Это положение не противоречит сделанному выше утверждению о стремлении к повышению скорости истечения при разработке новых двигателей, так как для большинства задач в существующих схемах двигателей еще не достигнута оптимальная скорость истечения.
В некоторых случаях даже для двигателей, использующих внутреннюю энергию рабочего тела, выгодно снижать скорость истечения за счет добавления пассивной массы. Например, ракета с ЖРД, покидающая Луну, должна сообщить полезному грузу характеристическую скорость около 2,5 км/с. Оптимальная же скорость истечения для выполнения данной задачи — 1,6 км/с (0,62 vx). ЖРД имеет существенно большую скорость истечения, и поэтому оказывается выгодным снизить ее до оптимальной за счет добавления лунной пыли к рабочему телу (желательно тех ее компонентов, которые испаряются при рабочей температуре двигателя), если на ракете имеются пустые баки, освободившиеся при ее посадке на Луну.[2] В результате этой операции полезный груз может быть увеличен в зависимости от вида ракетного топлива на 20–50 %.
Рис. 3. Классификация автономных двигателей
Другим важным параметром, по которому сравниваются между собой ракетные двигатели, является тяга, т. е. сила, создаваемая двигателем для ускорения ракет. Величина тяги равна произведению секундного расхода отбрасываемой массы (рабочего тела двигателя) на скорость истечения. По этому параметру различают двигатели большой тяги, когда тяга превосходит вес ракеты и последняя может стартовать с поверхности Земли, и малой тяги, пригодные лишь для старта с орбиты спутника.
Разделение на двигатели малой и большой тяги непосредственно связано с еще одним параметром — удельной массой двигателя, равной отношению веса двигателя к развиваемой им тяге. Естественно, что двигатели с удельным весом больше единицы должны быть отнесены к двигателям малой тяги.
Рассмотрим теперь перспективные схемы автономных двигателей, а также способы улучшения существующих схем с точки зрения улучшения рассмотренных параметров, и в первую очередь скорости истечения.[3] Однако прежде отметим, что по способу преобразования энергии в кинетическую энергию отбрасываемой массы можно выделить два основных класса ракетных двигателей — тепловые и электрические (рис. 3). Кроме того, существуют двигатели взрывные, фотонные и др.
Тепловые двигатели. Основной механизм преобразования энергии в тепловых двигателях, как и в любых тепловых машинах (газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания), — это расширение газа, предварительно сжатого и нагретого до высокой температуры. Устройством, осуществляющим это преобразование, является реактивное сопло (профилированный канал переменного сечения), через которое происходит истечение рабочего тела во внешнее пространство.
Скорость истечения на выходе из сопла прямо пропорциональна корню квадратному из температуры рабочего тела и обратно пропорциональна его молекулярному весу. Термодинамический КПД сопла как тепло-. БОЙ машины определяется разностью температур газа на входе и на выходе из сопла, которая, в свою очередь, зависит от относительного перепада давлений, т. е. зависит от степени расширения газа. Степень расширения газа ограничена размерами и весом двигателя, и поэтому в реальных конструкциях термодинамический КПД не превосходит 60–70 %.
Таким образом, имеются лишь две возможности улучшения характеристик тепловых ракетных двигателей — повышение температуры рабочего тела и снижение его молекулярного веса.
Предельные возможности химических двигателей. В тепловых двигателях, использующих энергию химических реакций, к которым относятся широко распространенные в наше время ЖРД и твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ), рабочее тело образуется в результате реакции горючего с окислителем. Температура рабочего тела определяется теплотой реакции, а молекулярный вес — молекулярным весом продуктов реакции. Приведенные в табл. 1 химические реакции дают оптимальное соотношение между молекулярным весом и температурой с точки зрения получения наибольшей скорости истечения.
В настоящее время химические ракетные двигатели почти достигли предела своих оптимальных характеристик. Наиболее оптимальные реакции с использованием кислорода в качестве окислителя освоены давно: кислород-керосиновые и водород-кислородные двигатели уже много лет используются в космической технике. Некоторое улучшение характеристик может быть получено при использовании фторсодержащих окислителей. Но так как фтор является химически весьма агрессивным веществом, то сравнительно небольшой выигрыш в удельной тяге, который может оправдать применение этого химического элемента, едва ли оправдает эксплуатационные неудобства.
Наиболее радикальный путь улучшения характеристик химических двигателей — это использование реакций рекомбинации свободных радикалов. Свободным радикалом называют электрически нейтральный атом или группу атомов с неустойчивым состоянием электронной оболочки, которые получаются в результате диссоциации молекулярных соединений. Например, в реакции Н2О → ОН + Н гидроксильный остаток и атомарный водород являются радикалами. Наибольшей энергией обладает реакция образования молекулы водорода Н + Н → Н2 (удельная энергия этой реакции соответствует скорости истечения около 30 км/с).
Однако из-за высокой склонности свободных радикалов к слиянию в устойчивую молекулу их накопление и хранение возможно лишь при температурах, близких 0 К, когда резко снижаются скорости химических реакций. Но и при 0 К остается возможность для так называемых туннельных реакций. Поэтому в чистом виде свободные радикалы хранить невозможно. Предполагается вмораживать радикалы в нейтральную матрицу (например, атомарный водород помещать в кристаллическую решетку твердого водорода), при этом концентрация свободных радикалов принципиально не может превосходить 50 %.
Даже смесь из 10 %-ного атомарного водорода и 90 %-ного молекулярного водорода позволит получить скорость истечения около 5 км/с при температуре всего 1200 К. За более чем 20 лет работы над этой проблемой удалось добиться концентрации свободных радикалов, не превышающей десятые доли процента. Тем не менее те преимущества, которые может дать применение свободных радикалов, стимулируют дальнейшие исследования.
Ядерные тепловые двигатели. Наиболее перспективным направлением улучшения характеристик тепловых ракетных двигателей представляется использование энергии ядерных реакций. Как уже указывалось, ядерные реакции целесообразно применять лишь в схемах с разделенными источниками энергии и отбрасываемой массой. Ядерное горючее здесь выступает в качестве источника тепла, которое передается рабочему телу.
2
Конечно, если бы на Луне были запасы ракетных топлив, то заправка ими пустых баков дала бы еще больший выигрыш в полезном грузе. Но такая дозаправка эквивалентна увеличению бортового запаса энергии, и поэтому приведенные соображения относительно оптимальной скорости истечения будут неприменимы.
3
В ракетной технике для характеристики двигателей вместо скорости истечения часто пользуются другим эквивалентным ей понятием — удельной тягой (удельным импульсом), которая численно равна скорости истечения, деленной на ускорение свободного падения (9,81 м/с2), и соответственно измеряется в секундах. Удельная тяга соответствует тяге, создаваемой в результате расхода рабочего тела массой 1 кг в 1 с. В дальнейшем мы, наряду со скоростью истечения, также будем пользоваться и этим понятием. Значения удельных тяг для некоторых рабочих тел были приведены в табл. 1.