9.3. Параметры уровня развития техники

В левом нижнем углу рис. 9.1 нанесена дополнительная шкала, обозначенная «удельный импульс». Удельный импульс топлива, измеряемый в секундах, представляет число секунд, на протяжении которых 1 кг топлива может создать 1 кг тяги. Из рисунка видно, что между энергией топлива и его удельным импульсом существует однозначное соотношение, позволяющее достаточно просто охарактеризовать современный уровень развития ракетной техники. Ограничим наш интерес результатами, которые можно получить с помощью современных химических ракетных топлив, и исследуем более подробно нижнюю левую часть рис. 9.1. Для этого рассмотрим рис. 9.2, где интересующая нас техническая характеристика (скорость выключения двигателей), ракеты представлена в линейном масштабе на горизонтальной шкале.

На вертикальной шкале этого рисунка дано в логарифмическом масштабе отношение полного веса ракеты к ее полезной нагрузке. Рассмотрим сначала сплошную кривую слева, построенную для класса одноступенчатых ракет, спроектированных при равном уровне развития техники (удельный импульс топлива 240 сек). Такая величина удельного импульса свойственна современным ракетам, использующим углеводородное горючее и жидкий кислород в качестве окислителя. Эта кривая отражает диапазон компромиссных решений, возможных при данном уровне развития техники. По ней видно, что для повышения скорости выключения двигателей необходимо увеличивать размеры ракеты при данной полезной нагрузке и, наоборот, при постоянном начальном весе ракеты для увеличения скорости прекращения работы двигателей приходится уменьшать вес полезной нагрузки.

Следует отметить, что максимальная величина скорости выключения двигателей ракеты не может превысить 5,4 км/сек, т. е. предела, отмеченного вертикальной пунктирной линией. Эта величина характеризует скорость, которую не может превзойти любая одноступенчатая ракета при современном уровне развития техники (при удельном импульсе 240 сек), как ни велики были бы размеры ракеты и как бы не был мал вес полезной нагрузки.

Правда, это ограничение скорости также зависит от значения другого параметра развития техники - отношения веса топлива к весу двигательной установки (вес двигателя, топливных баков и топлива). Для простоты это отношение принято равным 0,9 для случаев, показанных на рис. 9.2. Вторая кривая на этом рисунке характеризует влияние на характеристики ракеты увеличения удельного импульса с 240 до 300 сек. Этот уровень развития техники производства топлив соответствует высококалорийным жидким топливам типа гидразин - горючее и фтор - окислитель. Кривые для топлива с удельным импульсом 300 и 240 сек имеют одинаковый характер. Однако переход на следующий уровень развития техники позволяет либо повысить предел скорости, либо уменьшить полный вес ракеты при постоянных полезной нагрузке и скорости выключения двигателей.

Интересно заметить также, что за счет совершенствования конструкции ракеты можно добиться такого же и даже большего улучшения ее характеристик, как и за счет успехов в развитии техники производства топлив. Эта возможность, также показанная на рис. 9.2, выражается в широко известной концепции многоступенчатых ракет. Эта концепция основана на признании того простейшего факта, что отбрасывание отработавшего оборудования, пустых топливных баков или ракетных двигателей позволяет уменьшить до минимума вес ракеты к моменту прекращения работы двигателей. Штрихпунктирная кривая па рис. 9.2 отражает преимущества перехода от одноступенчатых ракет к двухступенчатым. Следует заметить, что преимущества перехода к двухступенчатым ракетам увеличиваются по мере приближения скорости полета одноступенчатой ракеты к предельной. Предел скорости выключения двигателей двухступенчатой ракеты в нашем случае составляет 12,6 км/сек. Как показано на рис. 9.1, такой скорости достаточно для преодоления силы земного тяготения. Число ступеней можно увеличивать дальше, однако это ведет к чрезмерному усложнению конструкции ракеты. Нижняя кривая на рис. 9.2, соответствующая многоступенчатым ракетам, указывает на предельные характеристики, возможные при увеличении числа ступеней ракеты и уровне развития техники, характеризуемом удельным импульсом топлива, равным 300 сек.

Интересно отметить еще одну особенность рис. 9.2. На оси ординат дано отношение полного веса ракеты к ее полезной нагрузке. Это позволяет использовать приведенную серию кривых для определения полного веса ракеты, способной нести данный полезный вес. Прямая пропорциональность между полным весом ракеты и весом полезной нагрузки характерна для многих видов транспортных систем. Величина коэффициента пропорциональности (масштабного коэффициента) зависит от значений данной характеристики и уровня развития техники. В нашем примере это будет скорость выключения двигателей и величина удельного импульса. Этот же принцип справедлив для самолетов, автомашин, грузовых поездов, подводных лодок и надводных кораблей. Для этих транспортных систем кривые отношения полного веса к полезной нагрузке представляют собой линии, близкие к прямым, наклон которых зависит от рассматриваемой характеристики и уровня развития техники. Таким образом, понятие «линейный масштаб» часто используют для обозначения прямо пропорционального соотношения между двумя величинами. Общая полезность концепции масштабности, а также другие масштабные законы и их применение рассмотрены ниже.