Рассмотрим в качестве примера устройство жидкостной ракеты «Фау-2».
Два бака — со спиртом и с кислородом — заполняют основную часть корпуса ракеты.
Проект грузовой ракеты-парома для двусторонней связи Земли с искусственным спутником. Три ее ступени имеют ряд аналогичных частей и устройств. К их числу относятся жидкостные ракетные двигатели 1, турбонасосы для подачи топлива 2, баки с перекисью водорода 3 для работы этих насосов, баки для горючего 4 и окислителя 5. Первая и вторая ступень снабжены парашютами для спуска 6. Первая ступень имеет хвостовое оперение для управления в атмосфере 7, третья ступень — несущие плоскости с рулями управления 8 для посадки на Землю при возвращении. Рубка управления 9 находится рядом с пассажирскими каютами и помещениями для багажа 10. Полезный груз этой ракеты составляет 25 тонн.
Из этих баков трубопроводы ведут в камеру сгорания. В эти трубопроводы включены мощные насосы. Ведь свыше 125 килограммов топлива должны подать эти насосы в камеру сгорания за каждую секунду работы мотора. Приводятся они в движение от своего собственного двигателя — газовой турбины, работающей на перекиси водорода.
Перекись водорода для работы турбины насосов заключена в специальном баллоне. Из него перекись водорода поступает в небольшую собственную камеру сгорания, где под действием перманганата натрия она быстро разлагается на пар и газ. Эта паро-газовая смесь, имеющая сравнительно высокую температуру и давление, и вращает газовую турбину насосов. Жидкий кислород насосы подают сразу в камеру сгорания. Спирт сначала прокачивается сквозь специальные полости, окружающие сопло и камеру сгорания, и охлаждает их. Если бы не это охлаждающее действие горючего, стенки камеры сгорания и сопла расплавились бы. Ведь температура газов в камере сгорания поднимается почти до 3000°, а температура стенок при этом не превосходит 1000°.
Обеспечив охлаждение наиболее накаленных частей двигателя, спирт поступает в камеру сгорания через форсунки, находящиеся в ее задней части. Крохотные форсунки с топливом окружают большую форсунку, через которую поступает кислород.
Ежесекундно в камере сгорания вступают в реакцию свыше 125 килограммов топлива — спирта и кислорода. Раскаленные газы горения устремляются через расширяющееся сопло наружу. Скорость истечения газов горения у современных жидкостных ракетных двигателей превосходит 2000 метров в секунду. Такой двигатель развивает тягу в несколько десятков тысяч килограммов. Проработав несколько десятков секунд, двигатель поднимает ракету на высоту 150–200 километров.
В верхнем отделении обтекаемого с заостренным носом корпуса ракеты размещается полезный груз. В послевоенные годы им обычно бывают приборы для исследования верхних слоев атмосферы.
Как видим, жидкостный ракетный двигатель устроен почти так же просто, как и прямоточный воздушнореактивный двигатель. В нем также нет движущихся частей, если не считать насосов для подачи топлива и турбинки, приводящей их в движение.
Жидкостный ракетный двигатель в настоящее время является единственным двигателем, с помощью которого человек поднимает свои приборы в самые верхние слои атмосферы. Этот двигатель будет, вероятно, первым двигателем, который унесет сначала приборы, а затем и людей в первые космические полеты. Может быть, освоение Луны и первые разведочные полеты вокруг ближайших планет можно будет осуществить с помощью этого двигателя.
Над жидкостным реактивным двигателем еще много будут работать ученые и инженеры, совершенствуя его, стараясь выжать из него все его возможности. Это и понятно: на него возлагаются не малые надежды, и нет сомнения, что он их не обманет. Но более отдаленное будущее космических сообщений принадлежит не ему. Оно принадлежит атомной ракете.
Несколько цистерн с топливом — заряд современной крупной высотной ракеты.
Всю жизнь искал К. Э. Циолковский наиболее энергоемкие топлива для космического корабля, которые бы, занимая мало места, содержали большое количество энергии. Лучшими из известных ему топлив были водород в качестве горючего и кислород в качестве окислителя. Именно на этом топливе и испытывались самые первые образцы жидкостных ракет.
Последователь К. Э. Циолковского Ю. В. Кондратюк предложил заменить обычный кислород трехатомным — так называемым озоном. По сравнению с кислородом озон может обеспечить большую энергоемкость. Кондратюк же предложил добавлять к жидким горючим твердые, сжигать в камере реактивного двигателя металлы. Но все эти горючие не обеспечивали окончательного решения задачи.
Теперь топливо, которое сможет обеспечить взлет ракеты с Земли, ее посадку на соседней планете и возвращение на Землю без заправок в пути и не особенно перегружая космический корабль, есть. Это — атомное горючее.
Однако атомное горючее обладает целым рядом специфических особенностей. Применять его для ракетного двигателя не так-то просто.
При расщеплении ядра атома урана во все стороны излучаются так называемые гамма-лучи, обладающие большой проникающей способностью, разрушительно действующие на организм человека. Мы еще не знаем никаких средств защиты от этих лучей, кроме как экранироваться от них толстым слоем бетона. Вес такого экрана составляет несколько тонн на квадратный метр его площади. Найти эффективные способы защиты от этих лучей — одна из важнейших нерешенных задач, без которых невозможно рождение атомной ракеты.
Настанет время, и в небо поднимутся сверхскоростные ракетные самолеты, работающие на атомном горючем. Вот одна из возможных схем работы такого двигателя. Воздух поступает в компрессор 1, и в него вводится урановая пыль. Из компрессора эта смесь поступает в реактор 2, состоящий из ряда графитовых сопел. В распыленном уране начинается ядерная реакция, температура смеси резко повышается, и она устремляется в циклон 3, где выделяется направляемая для дальнейшего использования по трубе 4 урановая пыль. А сжатый, нагретый до высокой температуры, воздух проходит газовую турбину 6 и попадает в сопло 5, создавая реактивную тягу.
При расщеплении ядра атома урана осколки его движутся в разные стороны со скоростями в несколько десятков тысяч километров в секунду. Кинетическая энергия этих осколков переходит в тепловую, и металл в реакторе — так называют устройства, в которых искусственно осуществляются реакции распада ядер — нагревается до высокой температуры. Реактор приходится постоянно интенсивно охлаждать. Тепло, уносимое с охлаждающим реактор веществом, и является в настоящее время единственным, которое мы научились полезно использовать. Ни лучистой энергии, выделяющейся при расщеплении атомного ядра, ни кинетической энергии осколков ядра мы непосредственно ни улавливать, ни превращать в другие виды энергии для полезного использования еще не умеем.
Проекты атомных реактивных двигателей, уже опубликованные в печати, исходят из возможности использовать только тепловую энергию распада ядра атома. При этом во всех этих проектах предусматривается необходимость иметь на борту корабля, кроме атомного горючего, большой запас теплоносителя — вещества, которое, будучи нагрето до высокой температуры в атомном реакторе, разгоняется потом в сопле и выбрасывается наружу, как газы горения в жидкостной ракете.
Согласно одному из таких проектов, атомный космический корабль будет иметь в головной части помещение для пассажиров, а вся средняя его часть будет заполнена рабочим веществом — теплоносителем. В качестве этого вещества предполагается использовать водород, обладающий большой теплопроводностью, в связи с чем его, видимо, можно будет легко и быстро нагреть до высокой температуры.
В задней части ракеты находится атомный реактор. Баки с теплоносителями являются заслонкой, защитой от излучаемых им вредоносных гамма-лучей.
Здесь же, рядом с атомным реактором, находится теплообменник, заменяющий камеру сгорания. В нем тепло, вырабатываемое в атомном реакторе, передается водороду, раскаленная струя которого, так же как и в обычном жидкостном реактивном двигателе, выбрасывается в расширяющееся сопло.
Теплообмен между атомным реактором и рабочим телом — водородом — один из наименее разработанных и наиболее сложных элементов этого проекта.
Ведь от реактора водороду надо передать огромные количества тепла, чтобы струю его разогреть за те краткие мгновения, что она проходит теплообменник, до 8000-10 000°. И при этом надо обеспечить интенсивное охлаждение всех элементов двигателя, которые, конечно, не смогут выдерживать такой температуры. А для того, чтобы нагреть до этой температуры водород, надо, повидимому, иметь еще более высокую температуру в самом реакторе. Задача эта, с точки зрения сегодняшней техники, почти неразрешима.
