На земле, в небесах и на море

 

Почти все предлагавшиеся проекты преследуют одну цель: освободить ракету от непомерной тяжести топлива. Ведь именно в этом самое слабое место нынешних ракет-носителей. Идея составных ракет, дав старт современной космонавтике, ничем уже не может помочь. Она сделала свое дело — вместила в ракетной конструкции необходимые для выхода в космос запасы горючего и окислителя, но сократить их до минимума не в силах. Для этого нужно что-то принципиально иное.

Вот взять бы да и выгрузить топливо из ракеты. Поместить где-то рядом с ней, но так, чтобы ракета могла им воспользоваться. У этой идеи нашлось немало сторонников. Порой пытаются воплотить ее буквально, например, разгонять ракету по рельсам, между которыми залито топливо. С ракеты опущена труба, загнутая открытым концом вперед. За счет быстрого движения жидкость должна подниматься по трубе и поступать в двигатель. Так когда-то паровозы пополняли на ходу запасы воды. Но ракетное топливо — не вода. От малейшей искры оно мгновенно превратится в пылающую реку. С таким же успехом можно было бы запускать ракеты из порохового погреба.

Ракета, разбегающаяся по рельсам, между которыми залито топливо.

 

Принцип действия «соленоидной пушки»: 1 — катушка (соленоид); 2 — металлический сердечник-ракета; 3 — выключатель; 4 — источник постоянного тока.

Чтобы «соленоидная пушка» не была чересчур длинной, предлагают изготовить ее в виде кольцеобразного туннеля. Ракета будет разгоняться по кольцу до тех пор, пока не достигнет необходимой скорости. После этого специальное устройство выведет ее из кругового движения и направит наружу.

И все же заманчива эта идея — ракета отдельно, топливо отдельно. Поэтому не охладевает энтузиазм изобретателей, стремящихся претворить ее в жизнь. «Что, если соединить ракету длинным гибким шлангом с наземным хранилищем горючего?» — думают конструкторы. Тогда во время разгона на Земле и на небольшой высоте ракета могла бы сжигать не свои запасы, а перекачиваемое на ходу топливо. В нужный момент шланг автоматически отсоединится, и ракета взмоет вверх.

Не так просто осуществить разбег на привязи. Хоть и не нагружена ракета топливом, сжигаемым в начале запуска, а все равно связана с ним. И не какими-то там незримыми узами — целой топливоперегонной системой. Уж лучше совсем обходиться без горючего!

Неистощимое воображение изобретателей заменяет топливо электромагнитным полем. Мысленно обмотав запускаемый в космос аппарат витками электрического провода, они уподобляют его якорю электромагнита. Мощный импульс тока подается в обмотку аппарата и окружающего его исполинского соленоида. Электромагнитное поле с силой выбрасывает космическую конструкцию из жерла этой пусковой установки. И лишь на некоторой высоте ее подхватывает тяга включенного ракетного двигателя.

Теперь самое время вспомнить о той мощности, которую развивают ракеты-носители. Уже первый в мире космический корабль «Восток» был выведен на орбиту ракетой с мощностью двигателей в 20 миллионов лошадиных сил. Это в тысячу раз превосходит энерговооруженность любого созданного ранее летательного аппарата! Не могут электромагниты конкурировать со столь могучими ракетными двигателями. Однако идея электромагнитной катапульты не покидает страницы технических журналов. И раз за разом она становится все реальней. Никто уже не сомневается в том, что такой ускоритель ракет с успехом можно использовать на Луне, где сила тяжести в шесть раз меньше земной. Считают, что в будущем именно электромагнитным методом будут запускать в космос лунные материалы, необходимые для строительства космических сооружений. Ну а в нашем подлунном мире предлагают еще один метод запуска.

Длинный рельсовый путь убегает к горизонту. По рельсам с огромной скоростью проносятся ракетные тележки, на которых установлены модели летательных аппаратов. Перед нами — экспериментальная лаборатория аэродинамиков. Не в тесном тоннеле аэродинамической трубы проводят они свои испытания, а на открытом пространстве ракетной трассы. Для настоящего полета модель не предназначена, а будь на ее месте ракета, быстроходная тележка послужила бы ей первой стартовой ступенью. Не отрываясь от Земли, ракета могла бы развить даже сверхзвуковую скорость. Передоверив тележке часть своих топливных запасов, она заметно поубавила бы в весе.

Ракетная тележка с установленной на ней ракетой-носителем разбегается по горизонтальному рельсовому пути.

 

Таким представляют себе запуск ракет-носителей авторы проекта, получившего название «русские горы».

 

Это еще один вариант реализации все той же идеи — топливо отдельно от ракеты. Топливо, вернее, часть его — в тележке, ракета — на тележке. Топливный резервуар разбегается вместе с ракетой, поэтому отпадают все сложности, связанные с перекачкой горючего на ходу. Мало того, резервуар этот из простого хранилища превращается в мощнейший ускоритель, которому не нужно вступать в единоборство с силой тяжести — вес топлива воспринимают только рельсы.

К сожалению, горизонтальный разбег ракете ни к чему. Как бы ни была велика достигнутая ею скорость — это не та скорость, которую от нее ждут. Крыльев у ракеты нет, и она не сможет самостоятельно перейти в вертикальный полет. Вот если бы устремить рельсы ввысь... Но тогда ракетная тележка будет совершать дополнительную работу, преодолевая земное притяжение. Чем же в таком случае она будет отличаться от обычной первой ступени?

И тут авторам этого проекта пришла в голову оригинальная мысль: компенсировать работу по преодолению силы тяжести... самой силой тяжести. Решили, как говорится, клин вышибать клином. Воображение изобретателей воздвигло невиданную рельсовую гору, вершина которой находится на высоте 750 метров от поверхности Земли. Скатываясь с этой горы, тележка с ракетой развивает скорость до 170 метров в секунду. Затем спуск плавно переходит в подъем на новую гору. Тележка устремляется вверх, словно маятник, падающий с некоторой высоты и снова взлетающий почти на ту же высоту. Пусковая трасса напоминает гигантский увеселительный аттракцион. «Русские горы» — такое условное название дали этому методу запуска.

При подъеме включается ракетный двигатель тележки. Но он только разгоняет ракету, увеличивая ее скорость до сверхзвуковой. На подъем же расходуется та энергия движения, которая была приобретена во время спуска. Конечно, ни о каком энергетическом выигрыше не может быть и речи. Чтобы поднять тележку с ракетой в специальном лифте, все равно придется совершить работу. Зато ракета освободилась от какой-то части топлива и может разбегаться вверх по наклонному рельсовому пути. Когда тележка с ракетой достигнет новой вершины, ее скорость возрастет уже до 800 метров в секунду. Теперь ракета отсоединяется и включает собственный двигатель. А первая разгонная ступень-тележка выпускает парашюты и медленно скатывается вниз.

Поднимутся ли над ракетодромами крутые склоны гор? Окажется ли такой запуск удобным и эффективным? Ответов на эти вопросы пока нет. Во всяком случае, не слышно, чтобы ракетные горы обсуждались широкими кругами специалистов. Только одна деталь этого проекта привлекла их внимание: подъем ракеты на лифте. Ведь таким путем тоже можно избавить ракету от топлива — полностью или частично.

Слева — обыкновенный аэростат, используемый для запуска высотных геофизических ракет. Вверху — проект аэростатной ступени для запуска космических ракет.

 

Специалисты перенеслись мысленно в заоблачные высоты. Как их устроил бы ракетодром, подвешенный где-то между небом и землей! Останется позади самая неприятная часть пути — сквозь плотные нижние слои атмосферы, где наиболее значительно сопротивление воздуха. Но даже у отчаянных фантазеров эти мечты вызывают недоверие: парящий над облаками ракетодром — это слишком нереально... А вот ракета может парить, если подвесить ее к стратосферным аэростатам. С этой позиции она может стартовать дальше, к околоземным орбитам. За счет «дарового» подъема на высоту до 30 километров удалось бы разгрузить ее от некоторого количества топлива.

Оборудование современного космодрома: 1 — кабель-заправочная мачта; 2 — фермы обслуживания; 3 — установщик; 4 — железнодорожный заправщик горючим; 5 — железнодорожный заправщик окислителем.

 

Примеры такого запуска из поднебесья уже есть. Английскую геофизическую ракету «Дикон» доставляли аэростатом на высоту 20-25 километров. Здесь включался ее двигатель, и она устремлялась еще выше. Вес ракеты уменьшился, и упростилась ее конструкция. Но старт из подвешенного состояния не назовешь легким. К тому же аэростата хватало лишь на один раз — выхлопная струя ракетного двигателя разрушала его.

Проект фирмы «Боинг Эйрплейн» выглядит куда основательнее. Она предлагает использовать для подъема и запуска космических ракет гигантский аэростат, имеющий форму надутой автомобильной камеры. Укрепленная в центре ракета не повредит его обшивку при старте. Грузоподъемность такого кольцевого баллона диаметром 95 метров достигает 45 тонн. Настоящая первая ступень, только без ракетных двигателей и без топлива. Самые первые и самые тихоходные летательные аппараты готовы выручить современные стремительные ракеты. Это кажется не менее парадоксальным, чем если бы лошадь впрягли в гоночный автомобиль. Но чего не предпримешь ради сокращения запасов топлива в ракете! К тому же у заоблачного старта есть еще одно неоценимое достоинство: отпадает необходимость в сложном и дорогостоящем наземном оборудовании.

Сегодня ни один космический старт не обходится без участия слуг-исполинов, которые под стать громоздким и тяжеловесным ракетам-носителям. Когда на экранах наших телевизоров показывают очередной запуск «Союза», мы видим, как от стройного тела ракеты отходят сначала громадные фермы обслуживания, а затем — гигантская кабель-заправочная мачта. Американскую ракету-носитель «Сатурн» провожает в полет подвижная башня высотой 120 метров и весом около шести тысяч тонн. А доставляет 2700-тонную ракету на пусковую площадку самоходная платформа, площадь которой превышает 1000 квадратных метров. При запуске ракета на платформе не должна отклоняться от вертикали больше чем на десятую долю градуса. Нет ничего удивительного в том, что оборудование современных ракетодромов обходится в десятки раз дороже самих ракет. В поисках простого и удобного старта специалисты готовы попытать счастья не только в воздушной, но и в водной стихии.

Запуск ракеты с поверхности моря.

Известно, что водный транспорт — самый экономичный. Так не организовать ли старт ракет на плаву? Чтобы проверить эту возможность, американские специалисты отбуксировали в море неподалеку от Сан-Диего устройство для водного запуска ракет. Первые старты пришлись на долю маленькой ракеты «Бегемотик». В случае успеха можно было бы строить большие ракеты на верфях, как корабли, и по стапелям спускать их в воду. Предполагалось, что отдельные готовые ступени будут буксироваться далеко в море. На месте старта их соберут, заправят топливом и, освободив от балласта, приведут в вертикальное положение. Привлекло и то, что полупогруженная в воду ракета окажется более легкой, а выбор места старта ракеты-«поплавка» почти неограничен. Морская транспортировка обойдется чуть ли не в 50 раз дешевле, чем наземная. Спокойной волны тебе, ракета!

Но продолжения этой водно-ракетной затеи не последовало. По-видимому, у гидрозапуска нашлись свои существенные недостатки. Некоторые из них можно назвать сразу. Выскакивающая из моря ракета неизбежно увлечет за собой какое-то количество окружающей воды. Следовательно, некоторая часть тяги двигателя будет расходоваться не но назначению. К этому нужно добавить опасность закупорки водой ракетного сопла и необходимость особо тщательной герметизации корпуса ракеты. Окажутся ли эти препятствия непреодолимыми — покажет будущее.

АТМОСФЕРНОЕ ДЫХАНИЕ РАКЕТ

 

Есть такой шутливый вопрос, претендующий на глубокомыслие: почему, берясь за весла, лодочник плюет себе на ладони, хотя к его услугам целая река? С гораздо большим основанием мы можем спросить у специалистов по космической технике: почему ракета берет в полет огромные запасы окислителя, когда вокруг нее неисчерпаемые запасы кислорода земной атмосферы?

Как правило, окислителя требуется в три-четыре раза больше, чем самого горючего. Например, при сгорании одного килограмма керосина расходуется 3,5 килограмма кислорода. Громадная масса окислителя не только утяжеляет ракету, но и усложняет ее конструкцию. Ведь хранить кислород приходится в наиболее плотном, жидком состоянии, то есть при очень низкой температуре. Посудите сами, легко ли поддерживать такие условия в космической ракете, где на учете каждый килограмм веса и каждый кубический дециметр пространства? Правда, есть окислители, которые не нужно искусственно сжижать: и без того они пребывают в жидком состоянии при обычной температуре. Это — азотная кислота, перекись водорода и некоторые другие вещества. Однако, помимо кислорода, они содержат элементы, не участвующие в горении. Удобство хранения покупается ценою добавочного веса этих ненужных элементов.

Куда проще самолетам, совершающим полет буквально внутри окислителя и черпающим его из окружающей среды. Но ведь работа первой, самой тяжелой ступени ракеты тоже происходит в пределах земной атмосферы. Почему бы не заменить ее жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) воздушно-реактивными двигателями (ВРД), которыми оснащены самолеты? Для такой переоборудованной ступени уже не понадобились бы запасы окислителя. Правда, сила тяги современных ВРД намного меньше силы тяги ракетных двигателей. Зато можно заставить работать сразу несколько ВРД. Избавившись от запасов кислорода в первой ступени, ракета за счет этого увеличит полезный груз.

Ракета-носитель с первой ступенью-треножником, на котором установлены воздушно-реактивные двигатели.

При всей необычности этой идеи она не нова. Мало того, с нее начинались первые шаги ракетоплавания. В 1936 году реактивная секция Стратосферного комитета Осоавиахима под руководством конструктора И. А. Меркулова спроектировала двухступенчатую ракету. В первой ее ступени был установлен пороховой ракетный двигатель, а во второй — прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Завод «Авиахим» изготовил шестнадцать образцов такой ракеты весом 8,3 и около 7 килограммов. Майским днем 1939 года вблизи подмосковной станции Планерная проходили летные испытания. Ракеты запускали вертикально вверх, и под действием силы тяги порохового двигателя они поднимались на высоту 250 метров. После сгорания порохового заряда первая ступень отделялась, а через 2,5 секунды включался ВРД. Он разгонял ракету до скорости 224 метра в секунду. Когда выгорало все горючее, запасенное во второй ступени, воздушно-реактивный двигатель прекращал работу. Ракета еще несколько секунд по инерции поднималась вверх и достигала высоты 1,8 километра. Не знаменательно ли, что эта первая в мире многоступенчатая ракета оказалась в то же время и первой ракетой с ВРД?

В те годы работа над воздушно-реактивными двигателями велась одновременно с исследованиями жидкостных ракетных двигателей. Уже тогда было ясно, что ВРД, не нуждающиеся в запасах окислителя на борту ракеты, обладают преимуществом перед ЖРД при полетах в атмосфере. И вот теперь ракетостроители возвращаются к своим прежним замыслам. За прошедшие десятилетия авторитет ВРД возрос, и им собираются доверить самую ответственную и самую тяжелую работу — подъем и разгон всей ракеты-носителя. Воздушно-реактивные двигатели перекочевали в первую ее ступень.

Такую ступень изображают порой в виде гигантского треножника. В центре устанавливается сама ракета, а вокруг нее — свита из десяти ВРД. На концах треножника размещаются еще три воздушно-реактивных двигателя, управляющих аппаратом в полете. Треножник взлетает вертикально вверх и разгоняется до сверхзвуковой скорости. Как только ракета выйдет в верхние разреженные слои атмосферы, где кислорода уже недостаточно для работы ВРД, включится ракетный двигатель второй ступени. Первая ступень-треножник отсоединяется и возвращается обратно на Землю. Одна и та же ступень может служить для запуска многих космических аппаратов. Это еще одно ее существенное преимущество.

На атмосферный паек предлагают перевести не только первую, но и все остальные ракетные ступени. При старте с Земли их кислородные баки останутся пустыми и не будут обременять ракету запасами окислителя. Во время разгона в атмосфере установленные на корпусе воздухозаборники станут захватывать воздух и направлять его в ожижитель. Если в качестве ракетного горючего взять жидкий водород, то он послужит и охладителем. После сжижения кислород отделится от азота и поступит в заготовленные для него баки. Пока ракета находится в атмосфере, она дышит кислородом в запас. Возможно, что время ее пребывания в питательной воздушной среде придется намеренно продлить, удлинив атмосферный участок пути. Зато возрастет полезный груз ракеты.