А.2. Некоторые элементы ракетной техники

Для всех двигателей общей характеристикой является удельный расход топлива, который определяется весом топлива в килограммах, расходуемого за час времени для получения килограмма тяги.

Если пойти дальше и рассматривать количество топлива, расходуемого в секунду, что более соответствует быстрому расходу топлива в ракетном двигателе, мы подойдем в конечном итоге к понятию «удельный импульс» («удельная тяга»). Расход топлива и достигнутая тяга имеют общую единицу измерения - килограмм, а удельный импульс топлива, представляющий их отношение, соответственно по сокращении общей единицы измерения будет иметь размерность в секундах. Например, удельная тяга, равная 300 сек, в полной форме выражается, как 300 кг/сек/кг (т. е. 300 кг на срезе сопла тяги от каждого килограмма топлива за секунду горения).

Отсюда становится ясно, что хотя удельная тяга измеряется секундами, она не имеет ничего общего с временем горения. Время горения определяется общим количеством имеющегося на борту ракеты и сгоревшего топлива. Например, если за одну секунду сгорает 225 кг топлива, а удельный импульс топлива составляет 300 сек, то двигатель в каждый момент времени горения развивает тягу 6750 кг. Если запас топлива составляет 30 т, время горения равно 2 мин. Таким образом, в связи с большим расходом топлива во время горения масса ракеты быстро изменяется. Эта убывающая масса ракеты разгоняется за время горения топлива под воздействием постоянной тяги, равной 6750 кг. Соответственно ускорение ракеты будет нарастать не постоянно. Максимальная скорость ракеты, достигаемая в момент выгорания топлива, пропорциональна постоянной тяге двигателей и соответственно пропорциональна удельному импульсу топлива. Если использовать более высококалорийное топливо, удельный импульс которого будет не 300, а 400 сек, то при прочих равных условиях скорость в момент выгорания топлива будет на ¹/₃ большей. По этой причине основной удельный импульс можно считать показателем, характеризующим основные свойства ракеты.

Есть и другая причина считать удельный импульс основной характеристикой ракеты. Если необходимая скорость достигается в момент выгорания топлива, то простым уве­личением удельной тяги можно соответственно уменьшить общий вес ракеты за счет запаса топлива, а следовательно, увеличить полезную нагрузку. Эта зависимость показана на рис. А.1.

В настоящее время ракетная техника располагает химическими топливами, удельный импульс которых, по всей Вероятности, не превышает 300 сек. Следовательно, в соответствии с рис. А.1, более 80% общего веса современных ракет составляет топливо. Термодинамический предел удельного импульса для химических топлив равен 400 сек и достигается при применении в качестве горючего жидкого водорода; для достижения более высокого удельного импульса необходимо применять двигательные установки иного типа. Ядерная двигательная установка может реализовать удельный импульс от 500 до 1500 сек; ионные реактивные двигатели будущего с очень высокой скоростью истечения частиц очень малой массы способны развить удельный импульс от 2000 до 10 000 сек.

. В области двигательных установок, очевидно, необходимо создание высокоэнергетических электроядерных двигателей мегаваттпой мощности. Такая возможность представляется только в далеком будущем. В настоящее время для получения мегаваттной мощности вес установки должен составлять более 10 т.

Предшествующие расчеты касались одноступенчатых ракет. Во многоступенчатых ракетах первые более мощные ступени отделяются после выполнения полезных функций, так как в противном случае их лишний вес будет мешать дальнейшему приращению скорости. Идеальный пример непрерывного ступенчатого принципа работы являет горящая сигарета при условии постоянного удаления пепла. На практике непрерывное отделение израсходованных ступеней потребует, согласованно с расходом топлива уменьшать вес конструкции самих двигателей и топливных баков, но это пока невозможно. В качестве примера значения рассмотрим приведенную ниже таблицу. Из нее следует, что отношение стартового веса ракеты к конечному весу полезной нагрузки уменьшается по мере увеличения числа ступеней при удельной тяге, равной 300 сек, и скорости в момент выгорания топлива, равной второй космической.

Из таблицы видно, что, как только число ступеней превышает четыре, выигрыш будет незначительным, но даже эти незначительные преимущества на практике не реализуются в связи с увеличением веса механизмов разделения ступеней.

Само собой разумеется, что ракеты больших размеров имеют определенные преимущества. Вес некоторых их компонентов (оборудование управления) не зависит от числа ступеней ракеты. Объем топливных баков пропорционален кубу линейных размеров, а их площадь и, следовательно, вес - квадрату линейных размеров.

Может показаться, что существуют другие потенциальные возможности усовершенствования конструкции ракет. В современных ракетах вес топлива примерно в девять раз больше веса конструкции ракеты (без полезной нагрузки). Предположим, что это соотношение можно увеличить до девятнадцати, используя более прочные и более легкие конструкции корпусов, двигателей и топливных баков. Получаемый при этом выигрыш будет эквивалентен увеличению удельного импульса топлива всего на 10% (с 300 до 330 сек). Очевидно, этим наиболее перспективным направлением исследований и разработок в этой области будет повышение мощности двигателей за счет увеличения удельных импульсов топлив.