Но разве медленно — значит лучше? Верно, что двигатели малой тяги будут проще и надежнее, но ведь зато они должны будут работать уже не минуты, а многие дни и месяцы подряд. Они будут, естественно, легче и меньше по размерам, но и это не решающее обстоятельство. Главное, конечно, как будет обстоять дело с расходом топлива. И здесь-то мы подходим к самому существенному.
Оказывается, расход топлива на полет не будет зависеть от того, как долго он продолжается. Еще Циолковский установил, что не тяга двигателя и не продолжительность его работы, а скорость истечения газов из двигателя — вот что, прежде всего, определяет затрату топлива на полет. Почему так?
Потому, что чем меньше скорость истечения, тем больше должен быть расход топлива для получения той же тяги. Любая сила, в том числе и тяга двигателя, есть произведение массы на величину изменения скорости за время действия силы. Один и тот же толчок заставит катиться легкий алюминиевый шарик быстрее, чем тяжелый стальной. Выплюньте вишневую косточку — она полетит с большой скоростью, потому что ее масса мала. Но та же сила (ибо действие равно противодействию, и косточка действует на вас с той же силой, что и вы на нее) даже не сдвинет вас с места — ваша масса велика.
Если каждую секунду из двигателя вытекает один килограмм газов со скоростью 1000 метров в секунду, то сила тяги будет равняться 1000 ньютонам (или примерно 100 килограммам). Если же скорость истечения возрастет до 2000 метров в секунду, то для сохранения тяги расход газов должен уменьшиться вдвое, то есть до 0,5 килограмма. Значит, самый простой и прямой путь уменьшения расхода топлива — увеличение скорости истечения.
Но это тривиальная истина, и вся история ракетной техники — это, в значительной мерю, борьба за увеличение скорости истечения. К сожалению, успехи, одержанные на этом фронте, весьма скромны. По существу, скорость истечения газов из лучших современных двигателей превышает эту скорость в самых ранних двигателях не более чем в полтора раза. За тридцать лет — и всего в полтора раза!
Это, конечно, не случайно, и, что хуже всего, даже перспективы на будущее здесь тоже, в общем, весьма скромны. Рост еще раза в полтора — это, пожалуй, максимум, на который можно рассчитывать. Больше, чем примерно 4500 метров в секунду, самый лучший ракетный двигатель дать, очевидно, не сможет. Но, значит, этим устанавливается и предел для экономии топлива со всеми вытекающими отсюда последствиями, прежде всего, в отношении величины полезного груза, а также длительности полета. Так на пути человека в космос возникает незримый «барьер скорости истечения».
Природа этого барьера, представляющего собой главное препятствие дальнейшему освоению космоса и организации межпланетных сообщений, заключается в особенностях химической энергии ракетных топлив. Это топливо выполняет в двигателе сразу две различные функции, играет двойную роль. С одной стороны, топливо — источник энергии, его химическая энергия выделяется в двигателе и в результате происходящих в нем рабочих процессов преобразуется в конце концов в кинетическую энергию струи газов. Но, с другой стороны, топливо, или точнее — продукты его сгорания, являются и источником массы, тем рабочим веществом, истечение которого из двигателя непосредственно создает тягу. Поскольку величина химической энергии ограниченна, а состав вытекающих из двигателя газов определяется характером химической реакции сгорания, то есть не может быть избран произвольно по желанию конструктора, то ограниченной оказывается и величина предельно достижимой скорости истечения.
Правда, возможности химии здесь использованы пока еще далеко не полностью, впереди, несомненно, новые замечательные победы, которые с помощью химии одержит ракетная техника. Но все же ясно, что «барьер скорости истечения» химии взять не удастся. Вот так же в свое время развитие авиации подписало смертный приговор поршневым двигателям, хотя авиация обязана им многими успехами. Поршневые авиационные двигатели спасовали перед «звуковым барьером», химические ракетные двигатели пасуют теперь перед «барьером скорости истечения», перекрывающим путь в глубины космоса.
Один возможный способ преодоления встретившейся трудности напрашивается сам собой. Если суть дела — в совмещении функций химического топлива, то нельзя ли отказаться от такого «совместительства»? Нельзя ли отделить источник энергии от источника массы, то есть рабочего вещества? Правда, такое разделение потребует введения в двигатель специального механизма для подвода энергии к рабочему веществу, механизма, от которого так счастливо избавлены существующие «химические» двигатели, — именно это делает их такими небольшими и легкими. Но, хочешь выиграть в одном, мирись с проигрышем в другом. Если введение подобного передаточного механизма, хоть и весьма нежелательного, позволит существенно увеличить скорость истечения, то плата за это может оказаться приемлемой.
Однако, прежде всего нужно найти новый источник энергии, более мощной, чем химическая. Первая мысль в этой связи — о внутриядерной энергии атомов, в миллионы раз большей химической. Действительно, если бы удалось эффективно сообщить удачно избранному рабочему веществу, например водороду, энергию, таящуюся в ядрах атомов урана и некоторых других химических элементов, то проблема «барьера скорости истечения» была бы, по существу, снята. Однако практически реализовать эту возможность, к сожалению, исключительно трудно, если не невозможно. Основная трудность — именно в механизме передачи атомной энергии рабочему веществу.
Проектов здесь много, некоторые из них были рассмотрены выше, в главе VI, но нужно заметить, что, в общем, все они далеки и от реализации, и от совершенства. По наиболее распространенному мнению специалистов, атомные ракетные двигатели позволят увеличить скорость истечения по сравнению с химическими примерно вдвое. Подобные двигатели будут наверняка созданы, ибо это сильно расширит возможности астронавтики. И все же «барьер скорости истечения» взят с их помощью не будет, он будет лишь несколько отодвинут.
В атомных ракетных двигателях, как и в обычных химических, для достижения высокой скорости истечения рабочее вещество нагревается до весьма высокой температуры. Такой нагрев происходит либо в ходе химической реакции, либо же в атомном реакторе, в котором рабочее вещество получает тепло, выделяющееся в результате ядерных реакций.
Но науке известна еще одна чудодейственная природная сила, способная нагреть газ до колоссальных температур, это — сила электрическая. С помощью электричества даже в производстве удается получать температуру в десятки тысяч градусов, — кто не слышал об электрической дуге, применяющейся, например, при сварке металлов?
«Барьер скорости истечения».
В лабораториях же, в частности, в работах по управляемым термоядерным реакциям, мощный электрический разряд в газе превращает его в плазму, то есть в смесь электрически заряженных частиц — электронов и ионов, нагретую до температуры в миллионы и десятки миллионов градусов. При такой температуре и скорость истечения может быть практически как угодно большой. Уж не открывается ли здесь туннель в «барьере скорости истечения»?
Впрочем, электричество знает и иные пути разгона заряженных частиц до колоссальных скоростей, помимо высокой температуры. Хорошо известны, например, силы, возникающие между электрическим проводником, в котором течет ток, и окружающим его магнитным полем, — на использовании этих сил зиждется бесконечное число разнообразных электрических двигателей, верно служащих человеку. Но поскольку сильно нагретый газ превращается в токопроводящую плазму, то, воздействуя на эту плазму, по которой течет ток, магнитными полями, можно заставить ее двигаться с очень большой скоростью и вытекать наружу из ракетного двигателя.
Кстати сказать, как обычный электродвигатель легко может быть превращен в генератор тока, так и здесь движение струи плазмы между полюсами магнитов может привести к возникновению электрического тока в цепи, соединяющей омываемые плазмой электроды. На этом принципе устроены так называемые магнитогидродинамические генераторы тока, не имеющие, в отличие от обычных динамо-машин, никаких движущихся частей и обладающие существенно большим коэффициентом полезного действия. Не зря с этими МГД-генераторами, как их называют, связывают перспективы грядущей революции в области электроэнергетики.