Какими бывают ракетные двигатели?

К.Э. Циолковский еще в 1911 году сказал: «Земля — колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». Уже тогда он в общих чертах знал, как именно сделать ракету, чтобы облететь вокруг Земли и долететь до Луны.

И вроде бы все очень просто: берется водород, окисляется кислородом, разгорается мощнейшее пламя, через сопло все это выбрасывается, образуется мощнейшая тяга, ракета поднимается, летит — и достигает Луны. Так почему же эти рецепты, предложенные в 1910-е годы, не были реализованы если не в 20-е, то хотя бы в 30-е годы? Ведь все же вроде просто!

Просто, да не совсем. Сгорание большого количества водорода в кислороде — мощнейший источник энергии, в получающемся пламени горит и плавится практически все. Задача создать термохимический ракетный двигатель решалась многие годы, были перепробованы очень многие пары «топливо-окислитель». Создавались сверхпрочные сплавы, выдерживающие чудовищные условия работы ракетного двигателя — огромные температуры, гигантское давление, да еще и вибрацию.

В наше время уже разработаны наиболее мощные термохимические ракетные двигатели. Невозможно разработать что-то еще более мощное, работающее на том принципе, на котором действуют все ныне существующие ракетные двигатели.

А какие вообще, с точки зрения специалистов нашего времени, возможны типы ракетных двигателей?

В наше время господствуют термохимические жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Это просто развитие реактивных двигателей. В обычных реактивных двигателях топливо окисляется обычным атмосферным кислородом, а в ракетных двигателях запас окислителя возится с с собой, как и запас топлива. В двигателе топливо и окислитель смешиваются и сжигаются, в камере сгорания температура достигает 3000−4000 градусов Цельсия. Продукты сгорания, истекая наружу, приобретают скорость от 2500 до 4500 м/сек.

Чем больше масса истекающих газов и чем больше их скорость — тем больше сила тяги двигателя.

Кроме термохимических, существуют и используются на орбите и электрические двигатели. Электрическая энергия, получаемая или из аккумуляторов, или из ядерного реактора, или с солнечных батарей спутника, служит для нагревания рабочего тела до огромных температур. Обычно используют электрическую дугу. Получающийся поток ионов с огромной скоростью вытекает через дюзу, создавая тягу. Поскольку скорость истечения ионов очень велика, расход рабочего тела оказывается очень низок, такой двигатель можно запускать много раз, он многие годы будет ориентировать на орбите свой спутник.

Такие двигатели называют ионными или плазменными. Сегодня скорость истечения рабочего тела достигает 20 км/сек (в 40 раз быстрее, чем в термохимических двигателях), но тут есть огромные резервы: когда ученые сумеют создать для плазмы какие-то магнитные способы, как изолировать ее от корпуса двигателя, можно будет нагревать рабочее тело сильнее. Тогда скорость истечения сможет достигнуть 100 км/сек.

В наше время ученые работают над ядерными ракетными двигателями (ЯРД). Более того, и в СССР, и в США уже были разработаны образцы ЯРД, идет их доработка — с целью получения мощной двигательной установки для запуска ракет. В СССР был разработан РД-0410, имевший тягу 3.6 тонны, а в США NASA уже собиралось ставить в ракету Сатурн-5 двигатель «NERVA». Но спонсирование лунной программы было остановлено, прекратилась в США и разработка двигателя нового типа.

ЯРД бывают твердофазными, жидкофазными и газофазными — в зависимости от того, в каком состоянии находится ядерное топливо.

• В твердофазных двигателях ядерное топливо просто находится в ТВЭЛах, почти как на АЭС, топливо выделяет много тепла, рабочее тело (сейчас считают, что в этом качестве наиболее выгоде водород) нагревается до огромных температур — и выбрасывается через дюзу с огромной скоростью, создавая реактивную тягу.
• В жидкофазных уран находится в расплавленном состоянии, такие двигатели дадут значительно большую температуру рабочего тела, а значит и большую тягу.
• В газофазных двигателях рабочее тело — в газообразном состоянии. Температура в таком двигателе еще выше, а значит больше скорость истечения и тяга.

В наше время ученые рассчитали, что если скорость истечения твердофазного ЯРД составляет до 10 км/сек, то в жидкофазных — до 15 км/сек, а в газофазных — до 30 км/сек. При мощности, сравнимой с ныне эксплуатируемыми ЖРД, такой двигатель позволит колонизировать Луну и совершать пилотируемые полеты на Марс и к другим ближним планетам.

В поисках более мощных ракетных двигателей существуют еще исследования в направлении создания:

• Импульсных ядерных двигателей, движимых отдачей небольших ядерных взрывов, происходящих в двигателе. Излучение и разлетающиеся продукты взрывов должны отражаться от дюз двигателя и создавать тягу космическому кораблю.
• Термоядерных ракетных двигателей, в которых вместо ядерных микровзрывов должны взрываться небольшие порции тритиевой воды. При таких реакциях, по расчетам ученых, должно получиться в сто раз больше энергии, чем при ядерных микровзрывах.
• Двигателей с солнечным парусом. Если удастся создать сверхлегкую и сверхпрочную пленку, то, снабдив небольшую космическую капсулу (весом до 1 тонны) таким парусом диаметром 500 метров, можно отправить эту капсулу с орбиты Земли на Марс. По расчетам ученых, такой полет продлится около 300 суток.

Ну и, разумеется, существуют еще фантастические изобретения писателей-фантастов:

• Фотонные звездолеты Стругацких, существование которых обеспечивается «абсолютным отражателем» — неким веществом, которое отражает все продукты термоядерных взрывов, оставаясь при этом все так же холодным и прочным.
• Анамезонный двигатель Ивана Ефремова из «Туманности Андромеды», движимый анамезоном — веществом с ослабленными мезонными связями в ядре атомов. Результаты реакции полного распада атомов тоже истекают из дюз со скоростью, близкой к скорости света.
• И ефремовские же ЗПЛ, Звездолеты Прямого Луча, попросту вскрывающие пространство, делающие в нем дырку и потом летящие в некоем «подпространстве» на чудовищные расстояния, покрывая за несколько часов полета в космосе расстояния в сотни световых лет.

Эх! Дожить бы хотя бы до начала эксплуатации ядерных ракет!