Механика космического полета в элементарном изложении - Левантовский В.И.
Скачать (прямая ссылка):
Температуру рабочего тела можно повысить, если пропускать водород через жидкофазный ядерный реактор — через расплавлен-
*) Работа над ЯРД «Нерва» в США была свернута после затраты 1,4 млрд. Долл. 40 ГЛ. 1. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ
ные соединения урана [1.13, 1.14]. Таким путем можно достичь скорости истечения до 20 км/с [1.9], по другим данным — не выше 12 км/с [1.15].
Наконец, еще большего эффекта можно достичь, пропуская рабочее тело через газофазный ядерный реактор [1.8, 1.9, 1.13— 1.16]. Предлагаются различные способы предохранения делящегося урана от выбрасывания с рабочим телом, а стенок камеры — от расплавления (температура рабочего тела будет составлять десятки тысяч градусов). Предполагается, что скорость истечения для таких двигателей будет достигать 15—70 км/с, но превышение 30 км/с требует существенного усложнения конструкции — введения холо-дильников-излучателей [1.15].
Пульсирующие ЯРД [1.13, 1.15, 1.17, 1.18]. В этих двигателях энергия атомного взрыва должна испарять рабочее тело. По проекту «Орион» [1.13] (см. также Missiles and Rockets, 14. XII. 1964) космическая ракета диаметром 10 м и массой 90 т после выведения ее на орбиту р а кетой-носителем «Сатурн-5» разгоняется посредством ядерных взрывов, производящихся позади мощного стального днища. Достигается скорость истечения 10 км/с при реактивном ускорении 10~4—10~3 g. По проекту фирмы «Мартин» 11.18] взрывы ядерных капсул мощностью, эквивалентной 10 т тринитротолуола, внутри камеры диаметром 40 м должны, испарив 935 т воды, вывести на околоземную орбиту нагрузку 160 т (на нижней ступени используется связка из девяти ЖРД F-1), а в будущем — даже 13 000 т. По некоторым предположениям [1.17] взрывы атомных бомб позволят достичь скорости истечения, в 10 раз большей, чем у химических ракет. Есть и более оптимистичные прогнозы, связанные с использованием термоядерных зарядов. Однако опасность радиоактивного заражения атмосферы и заключение договора о прекращении ядерных испытаний в атмосфере, в космосе и под водой, привели к прекращению финансирования упомянутых проектов в США, хотя двигатель типа «Орион» еще продолжает упоминаться в литературе.
ЯРД на термоядерном синтезе. В этих двигателях используется управляемая реакция объединения (синтеза^ атомных ядер, которая является еще не решенной «проблемой номер один» для физики наших дней. Рабочее тело, как предполагают, будет обтекать шнур высокотемпературной дейтериевой плазмы и изгоняться из ракеты со скоростью до 100 км/с, причем реактивное ускорение составит 10~4—10~2 g [1.9, 1.17].
ЯРД на) радиоактивном распаде изотопов (рис. 8). При самопроизвольном радиоактивном распаде выделяется тепловая энергия, которую можно использовать для нагревания водорода. После израсходования рабочего тела понадобится (если мы хотим сохранить для будущего использования запас радиоактивных материалов) система охлаждения, так как остановить радиоак- § 6. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ С ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ 41
У-Ьо-жЫ
тивный распад невозможно. Достоинством подобного двигателя является простота конструкции. Скорость истечения для него составит 8—12 км/с, реактивное ускорение — порядка IO-3 g [1.9].
Рассматривая три последних типа ЯРД, мы столкнулись со случаями, когда двигатели сообщают космическому аппарату крайне малое ускорение — в сотни и даже десятки тысяч раз меньше g=9,8 м/с2. Причина этого — в чрезвычайно высоком удельном весе указанных ЯРД. Двигатели такого типа называются двигателями малой тяги. Они, конечно, не могут оторвать космический аппарат от поверхности Земли, но оказываются весьма эффективными в космосе.
Как следует из зарубежных публикаций, твердофазные ЯРД, по-видимому, смогут устанавливаться в 80—90-х гг. на верхних ступенях космических ракет. Разработка остальных типов ЯРД может потребовать десятков лет [1.8].
Рис. 8. Схема ЯРД на радиоактивном распаде изотопов [1.20]: 1 — бак с рабочим телом, 2 — изотопный материал, 3 — радиатор системы охлаждения, 4 — иасос системы охлаждения, 5 — тяговая камера.
§ 6. Тепловые двигатели с внешним источником энергии
Рассматривавшиеся до сих пор тепловые ракетные двигатели работали за счет химической или ядерной энергии, источник которой находился на борту летательного аппарата и потому отягощал его излишней массой. Теперь мы обратимся к тепловым двигателям, черпающим извне энергию лучевого потока.
В гелиотермическом двигателе источником энергии служит Солнце. Концентрируемые с помощью зеркал солнечные лучи используются для непосредственного нагрева рабочего тела — жидкого водорода (рис. 9). Зеркало может представлять собой параболический рефлектор или прозрачную надувную пластмассовую сферу, половина которой посеребрена или алюминизирована, с малой массой [1.15]. Силы тяги таких двигателей будут измеряться килограммами, скорости истечения достигнут 8—12, возможно 15 км/с. Начальные реактивные^ускорения будут порядка 10~3—10~2 g [1.9, 1.19,1.20]. По мере удаления от Солнца эффективность гелиотермического двигателя будет быстро уменьшаться.
