Десятилетия, прошедшие с тех пор, как Циолковский создал астронавтику, показали всю правильность разработанного им стратегического плана борьбы за покорение мирового пространства.

Циолковский считал, что путь в мировое пространство совпадает со столбовой дорогой развития авиации и реактивной техники. Сначала все более высотные полеты самолетов с обычными поршневыми двигателями. Затем создание «стратопланов полуреактивных» (так называл Циолковский самолеты с воздушно-реактивными двигателями за много лет до того, как такие самолеты появились в действительности). Все большая скорость и высота полета этих самолетов. Наконец, переход к ракетным самолетам с жидкостными ракетными двигателями, способными летать в самых верхних слоях атмосферы с недосягаемыми для других самолетов скоростями. Далее, с постепенным ростом скорости, высоты и дальности полета и уменьшением поверхности несущих крыльев, – к космической ракете.

Многие ученые на Западе смотрели на дело иначе. Они писали, что астронавтика будет развиваться вне связи с авиацией, своей особой дорогой. Выходило так, что астронавтика закладывается на чистом месте, что создание космического корабля – задача, которая должна решаться с самого начала как целиком новая, что опыт авиации ничем здесь помочь не может.

Теперь уже можно говорить о том, что история опровергла эти утверждения. Нет сомнений, что весь ход развития авиации и реактивной техники подготавливает почву для решения задач астронавтики. Без опыта, накопленного за все эти годы авиацией и реактивной техникой, создание космического корабля было бы невозможным. Авиация и реактивная техника являются техническим фундаментом астронавтики. Именно поэтому с каждым годом возможность осуществления полетов в мировое пространство делается все более реальной и вековая мечта человечества – все более осуществимой.

Развитие реактивной техники вскрыло еще одну весьма интересную особенность, по существу предсказанную Циолковским. Две бывшие до сих пор самостоятельными ветви реактивной техники – авиация и артиллерия – постепенно сближаются. Конструктивные формы самолетов и ракет становятся все более сходными, и в них начинают угадываться будущие очертания космических кораблей. Самолеты постепенно теряют очертания, характерные для обычной, винтовой авиации: нос фюзеляжа становится заостренным, как у снаряда; крылья уменьшаются в размерах, приобретают стреловидные очертания; дужка крыла вместо каплевидной формы получает заостренную переднюю кромку. С другой стороны, тяжелые реактивные снаряды приобретают небольшие крылышки и становятся очень похожими на некоторые новые, реактивные самолеты.

Сама механика полета самолетов может стать в будущем очень не похожей на принятую в настоящее время и приблизиться к артиллерийской. В настоящее время двигатель самолета, как известно, работает в течение всего времени полета, тогда как двигатель реактивного снаряда работает лишь в течение короткого промежутка времени – при запуске-выстреле. Установка на самолете ракетного двигателя, имеющего большую тягу, позволяет осуществить полет самолета по образцу полета снаряда. В этом случае двигатель самолета работает лишь короткое время при взлете, осуществляя разгон самолета до очень большой скорости и забрасывая его, подобно снаряду, на огромную высоту. Дальнейший полет самолета осуществляется с остановленным двигателем, так что топливо не расходуется, причем самолет совершает длительный планирующий полет с постепенным снижением. Расчет показывает, что самолет в состоянии пролететь при этом гораздо большее расстояние и совершить такой полет в значительно меньшее время, чем существующие сейчас самолеты любых типов.

Несомненно, именно так будут совершаться в будущем сверхдальние и сверхскоростные перелеты на Земле. Например, полет Владивосток – Москва можно будет совершить таким образом примерно за один час, обгоняя видимое движение Солнца. Так что, поужинав во Владивостоке, можно будет в тот же день... позавтракать в Москве! Такие полеты сближают авиацию с астронавтикой, ибо при их выполнении самолеты должны залетать, по существу, уже в преддверье мирового пространства. Техника полета межпланетного корабля будет также основана на коротком разгоне вначале и последующем длительном полете с остановленным двигателем. В главе 10 возможность таких астронавтических перелетов на Земле будет рассмотрена подробнее.

Формула Циолковского, о которой шла речь в предыдущей главе, показывает, в каком направлении должна развиваться реактивная техника, чтобы решить задачи астронавтики. Реактивные летательные аппараты должны совершенствоваться так, чтобы:

а) на аппарате данного веса можно было разместить возможно большее весовое количество топлива; б) чтобы жидкостные ракетные двигатели обеспечивали максимально возможную скорость истечения газов.

Каковы же перспективы развития реактивной техники в обоих этих направлениях?

Возможности дальнейшего увеличения относительного запаса топлива на ракете в настоящее время весьма ограниченны. Вспомните дальнюю ракету, описанную в главе 6. Вес топлива на этой ракете превышал вес пустой ракеты в 2,25 раза. В лучшем случае, может быть, удастся увеличить это отношение до 3,5–4, и то это будет замечательным достижением. Ведь обыкновенный легкий алюминиевый бачок вместимостью 10 килограммов бензина весит примерно 1 килограмм. Значит, уже сейчас по весу ракеты на 1 килограмм запасенного на ней топлива она тяжелее такого бачка всего только в 4 раза. Но ракета рассчитана на полет при огромных скоростях, она должна выдерживать большие инерционные перегрузки, возникающие в таком полете. Кроме того, на ракете установлены двигатель, сложное приборное оборудование, система управления в полете. Все это значительно увеличивает ее вес.

Только при использовании предложенных Циолковским составных ракет можно добиться того, чтобы на 1 килограмм веса ракеты, который она будет иметь после выработки всего топлива, приходились многие десятки килограммов веса топлива при взлете, что необходимо для осуществления космического полета. А идея Цандера использовать части конструкции ракеты в качестве топлива может увеличить это отношение еще во много раз.

Вот почему астронавтику интересует больше всего то направление развития реактивных летательных аппаратов, которое связано с совершенствованием конструкции составных ракет, накоплением опыта по их эксплуатации, осуществлением все более высотных и дальних полетов этих ракет, сначала без людей, а потом с людьми.

Не менее сложна и трудна задача увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя. В настоящее время эта скорость не превышает 2000–2500 метров в секунду. Увеличение скорости истечения газов происходит очень медленно и достигается ценой больших усилий. Для того чтобы добиться увеличения скорости истечения газов, приходится решать сразу две самостоятельные задачи – искать более калорийные топлива, то-есть топлива, выделяющие при сгорании больше тепла, и обеспечивать работоспособность двигателя на этих топливах. Чем больше тепла выделяет топливо при сгорании в двигателе, тем больше при прочих равных условиях скорость истечения газов из двигателя.
 

Сравнительная дальность полета ракет, работающих на различных топливах. За единицу принята дальность ракеты, работающей на бензине и азотной кислоте.

Наибольшие скорости истечения достигаются в настоящее время при использовании в качестве окислителя жидкого кислорода, а в качестве горючих – нефтепродуктов (бензин, керосин). Наименьшие – в случаях, когда окислителем служит перекись водорода или азотная кислота. Каковы возможности увеличения скорости истечения при использовании наилучших комбинаций окислителей и горючих, которые могут быть составлены из имеющихся химических элементов?

Исследования советских и зарубежных ученых показывают, что эти возможности, в общем, весьма ограниченны. В числе перспективных топлив можно назвать, например, предложенные Кондратюком соединения фосфора и соединения кремния, предложенные Цандером и Кондратюком металлы и соединения металлов, в частности соединения металла бора с водородом, так называемые бораны, и другие – в качестве горючих; предложенный Циолковским озон, соединения фтора и некоторые другие – в качестве окислителей.

Изучение ряда новых топлив производится и в настоящее время. Они, конечно, будут применяться в будущем во многих случаях вместо современных топлив. Однако скорость истечения газов при этих топливах не будет, вероятно, превышать 4500 метров в секунду.

Мы видим, что химия бессильна решить задачу значительного увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя, ибо освобождаемая при сгорании топлив химическая энергия оказывается для этого недостаточной. Тем не менее, конечно, еще далеко не все ресурсы химии, не все возможности химических топлив в настоящее время уже использованы. Дальнейшие исследования по подбору новых, более эффективных топлив способны увеличить скорость истечения, как указывалось выше, примерно на 50 процентов по сравнению с ее величиной, достигнутой в настоящее время. Это значительно увеличило бы скорость и дальность полета ракет, было бы крупнейшим шагом вперед в развитии реактивной техники, а значит, и важной победой в борьбе за покорение мирового пространства.

Однако, чтобы сделать такой шаг, одержать такую победу, мало найти новые, более эффективные топлива. Нужно обеспечить надежную работу двигателя на этих топливах.

Жидкостные ракетные двигатели работают в значительно более тяжелых условиях, чем любые другие двигатели: авиационные, автомобильные, судовые и проч. Поэтому жидкостные ракетные двигатели обладают меньшей надежностью, меньшей продолжительностью работы, меньшим сроком жизни. Эти тяжелые условия работы жидкостных ракетных двигателей связаны с тем, что рабочие газы в таких двигателях имеют высокое давление, необычайно высокую температуру и движутся с колоссальной скоростью.

Такие условия работы жидкостных ракетных двигателей делают исключительно важной и сложной проблему их охлаждения. Газы, заполняющие двигатель при давлении в десятки атмосфер и температуре 3000° и даже больше, движутся относительно стенок двигателя со скоростью, во много раз превышающей в некоторых частях двигателя, например в сопле, скорость звука. Естественно, что стенкам двигателя каждую секунду передается огромное количество тепла. Если это тепло не отводить от стенок двигателя, то они очень быстро прогорят, и двигатель моментально выйдет из строя. Ведь неизвестен ни один материал, который был бы способен выдержать такие температуры при подобных давлениях. Вот почему для жидкостных ракетных двигателей важнейшим условием их надежности является хорошая система охлаждения стенок двигателя.

Уже сейчас некоторые более калорийные сорта топлива не удается применять из-за трудностей, связанных с охлаждением двигателей. Это объясняется тем, что при использовании более калорийных топлив увеличивается и температура газов в камере сгорания. Именно поэтому, например, пока не получило широкого распространения топливо, состоящее из жидкого кислорода и бензина или керосина. Поэтому же двигатель дальней ракеты, описанной в главе 6, работает не на чистом спирте, а на спирте с добавкой 25 процентов воды. Эта добавка воды снижает температуру газов и облегчает охлаждение, хотя она ухудшает характеристики двигателя, уменьшая его тягу почти на 20 процентов – на 5 тонн.

Понятно, что применение новых, гораздо более калорийных топлив, необходимых для космических кораблей, требует существенного усовершенствования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей.

Одним из перспективных методов охлаждения является так называемое проникающее охлаждение, или «охлаждение выпотеванием», как его иногда называют. В этом случае стенки жидкостного ракетного двигателя изготовляются пористыми, с бесчисленным множеством крохотных отверстий диаметром в тысячные доли миллиметра. Через эти отверстия внутрь двигателя проходит специальная охлаждающая жидкость. При таком методе охлаждения внутренняя поверхность стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, покрывается сплошным тонким слоем охлаждающей жидкости, защищающим стенку от перегрева. Стенки как бы «потеют», откуда и произошло название этой системы охлаждения. Возможно, что наиболее горячие части двигателей космических кораблей будут иметь именно такое охлаждение.

Исследования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей ведутся в настоящее время весьма интенсивно. Можно надеяться, что двигатели межпланетных кораблей будут вполне надежно работать в течение нескольких минут или, самое большее, нескольких десятков минут (больше заведомо не потребуется) и на более калорийных топливах будущего.

Так как обычные химические топлива содержат в себе недостаточно энергии для того, чтобы обеспечить скорость истечения газов, необходимую для совершения космических полетов, то естествен интерес, который проявляется учеными, работающими в области астронавтики, к другим возможным источникам энергии, помимо химической. И, конечно, на первом плане стоит проблема использования атомной энергии.

Как известно, атомная, или, точнее, ядерная, энергия в миллионы раз больше химической энергии.

Огромная величина атомной энергии открывает принципиальные возможности осуществления самых дальних полетов в мировое пространство. Достаточно сказать, что энергия, выделяющаяся при атомном распаде 20 килограммов урана или плутония, достаточна для отправки на Луну и обратно тела весом в 1000 тонн. Обычно авторы книг по астронавтике отмечают это обстоятельство и далее рисуют фантастические проекты таких сверхдальних перелетов. Однако дело обстоит здесь не так просто. Полного решения проблемы межпланетных полетов атомная энергия, хотя об этом и написано во многих книгах, все же не дает.

Атомная космическая ракета может быть создана; это теперь уже не предположение, а технически обоснованное утверждение. Но такой атомный корабль не будет так уж сильно отличаться по своим возможностям от обычных кораблей, использующих химические топлива, ибо одно дело – потенциальные возможности атомной энергии, а другое – реальные технические перспективы использования этих возможностей.

Чем же это объясняется?

Суть дела связана с вопросом о том, как можно создать в атомном двигателе реактивную тягу, необходимую для полета корабля. Ведь для этого, как известно, нужно отбрасывать назад с большой скоростью какое-нибудь вещество. В жидкостном ракетном двигателе таким веществом являются продукты сгорания топлива. А что будет этим веществом в атомном реактивном двигателе? Ведь в нем ничто не сгорает...

В атомном двигателе вместо сгорания топлива происходит распад атомов какого-нибудь ядерного горючего – например, металла урана. При таком распаде сложный и тяжелый атом урана распадается, или, как говорят, делится, на два более простых и легких атома других веществ. Оба этих новых атома, являющиеся продуктами деления атома урана, разлетаются в противоположные стороны со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. Кинетическая энергия этих продуктов деления и представляет собой основную часть атомной энергии, выделяющейся при распаде атомов.

Как же использовать эту огромную энергию для создания реактивной тяги? Самое простое было бы заставить продукты атомного распада, происходящего в двигателе, вытекать из него наружу в одном направлении через какое-нибудь отверстие. Тогда эта струя вещества, вытекающего с колоссальной скоростью, в тысячи и десятки тысяч раз превышающей обычную скорость истечения газов из жидкостного ракетного двигателя, создала бы и соответственно большую тягу.

Однако такое решение, напрашивающееся в первую очередь, к сожалению, практически невозможно.

Это объясняется несколькими причинами, но одна из них является главной. Чтобы тяга такого атомного реактивного двигателя была достаточно большой, как это требуется, например, при взлете межпланетного корабля, из двигателя должно вытекать наружу каждую секунду большое количество, по крайней мере граммы и десятки граммов, продуктов атомного распада. Но это значит, что в двигателе должны каждую секунду распадаться граммы и десятки граммов урана, и, следовательно, двигатель должен развивать колоссальную мощность – в сотни миллионов и миллиарды лошадиных сил. Ведь при распаде грамма урана выделяется столько же энергии, как при сгорании примерно 1,7 тонны бензина, – то-есть каждый грамм урана, распадаясь за секунду, соответствует мощности примерно в 100 миллионов лошадиных сил.

В таком двигателе ежесекундно будет выделяться большое количество тепла. Температура стенок двигателя в результате бесчисленного множества ударов частиц, мчащихся с громадной скоростью, достигнет многих миллионов градусов, и двигатель мгновенно испарится.

Вот почему двигатель, построенный по этому принципу, называют часто псевдоракетой. Такая псевдоракета могла бы быть создана только в том случае, если бы ее тяга была очень малой; о таком случае будет подробнее сказано в главе 17.

Выходит, следовательно, что раз веществом, которое должно отбрасываться атомным реактивным двигателем, не могут быть продукты атомного распада, то для этой цели на корабле надо иметь какое-нибудь специальное «рабочее» вещество. Вот уж действительно «бросовое» вещество! Но из-за него теряется главное преимущество атомного двигателя – практически неограниченная продолжительность работы. Для чего нужна эта работа, когда все рабочее вещество уже израсходовано? Двигатель приходится останавливать.

Значит, продолжительность работы атомного реактивного двигателя межпланетного корабля определяется возможным запасом рабочего вещества на корабле. Избавляясь при установке такого двигателя от запасов химического топлива, мы поневоле заменяем это топливо другим веществом. Получается, в общем, почти то же...

Атомный реактивный двигатель будет отличаться от обычного жидкостного ракетного только тем, что место камеры сгорания в нем займет атомный котел, или реактор, в котором осуществляется цепной процесс деления атомов урана или другого ядерного горючего. Тепло, выделяющееся в реакторе, будет передаваться какой-либо жидкости или газу – рабочему веществу, которое и будет вытекать раскаленной струей из двигателя через сопло наружу, создавая реактивную тягу. Скорость истечения газа может быть в этом случае больше, чем в обычном жидкостном ракетном двигателе.

В этом и будет практически заключаться все преимущество атомной ракеты.

Проблема создания атомного реактивного двигателя, принципиально вполне разрешимая и осуществимая средствами даже современной техники, связана с преодолением необычайных трудностей. Можно не сомневаться, что в будущем эта проблема будет решена. Это явится, конечно, важнейшей победой для астронавтики, хотя, как указывалось выше, той революции, на которую многие рассчитывают, в ней не совершит. В общем, можно считать, что скорость истечения газов из атомного двигателя превысит максимально возможную для обычных, химических жидкостных ракетных двигателей не более чем вдвое. Возможности астронавтики при этом вырастут, конечно, в очень большой степени.
1

Одной из серьезных трудностей, связанных с созданием атомного межпланетного корабля, является необходимость защиты экипажа корабля и персонала, обслуживающего его взлет, от вредного действия излучения, которое, как известно, испускает работающий атомный реактор. Если не принять необходимых защитных мер, то подходить к работающему двигателю без вреда и даже смертельной опасности для своего организма можно будет не ближе, чем на расстояние в несколько... километров. Поэтому, по некоторым проектам, атомным двигателем снабжается только одна, именно вторая, ступень многоступенчатого межпланетного корабля. В этом случае атомный двигатель на земле не работает и взлет осуществляется с помощью обычных, жидкостных ракетных двигателей. На значительной высоте, куда эти двигатели заносят корабль, первая ступень отделяется, и включается атомный двигатель. Это значит, что защищать от вредного радиоактивного излучения в этом случае нужно только экипаж корабля, а наземный персонал в такой защите нуждаться не будет. Защитный экран может быть выполнен при этом относительно легким, так как этой защите способствует вся конструкция корабля, поглощая вредные лучи. После выработки всего рабочего вещества для атомного двигателя вторая ступень с этим двигателем также отделяется и опускается на землю на парашюте. Дальнейший полет осуществляется с помощью обычных двигателей остальных ступеней, имеющих относительно небольшую тягу. Подобный корабль для облета Луны должен весить, по некоторым расчетам, 1200 тонн.

Проект межпланетного корабля (пятиступенчатой ракеты) с атомно-реактивным двигателем на второй ступени.

Все, что мы знаем о реактивной технике, свидетельствует о наличии уже сейчас реальных возможностей для начала штурма мирового пространства.

Первым результатам этого штурма и планам дальнейших атак посвящена третья часть этой книги.