Сразу оговоримся, что речь идет о тех ракетных двигателях, которые используются всю недолгую историю космического ракетостроения – то есть, химических. О других типах двигателей человечество в курсе, и некоторые из них даже используются в космической отрасли (в системах ориентации и маневрирования), но разогнать ракету до требуемых скоростей они пока не могут.
Итак, химический ракетный двигатель. Единственный двигатель, работающий на химическом топливе, и позволяющий вывести тяжелую ракету на околоземную орбиту и даже дальше. Есть ли предел скорости, которую может обеспечить такой двигатель? Или теоретически он может разогнать космический аппарат до световых скоростей?
Вспомним немного теории. Принцип действия современных ракетных двигателей появился благодаря двум великим ученым. Один из них – Исаак Ньютон, который сформулировал закон действия и противодействия (именно на принципе отдачи основано реактивное движение). Второй – Константин Циолковский, который вывел в 1897 году формулу, определяющую скорость летательного аппарата, использующего реактивную тягу:
I – это удельный импульс двигателя (отношение тяги двигателя к расходу массы топлива); M1 – масса летательного аппарата с топливом; M2 – масса летательного аппарата без топлива.
Получается, что скорость можно увеличить только двумя путями.
Первый путь – изменение соотношения масс. Чем больше топлива в ракете, тем быстрее она сможет разогнаться. Проблема, однако, состоит в том, что это соотношение масс расположено под логарифмом, и в этом кроется принципиальная проблема.
Чтобы логарифм был равен единице, отношение масс должно быть равно 2,72. Чтобы ракета массой 100 тонн разогналась до скорости выбрасываемого из сопел рабочего тела, ей потребуется 170 тонн топлива. Чтобы увеличить скорость вдвое, потребуется уже 640 тонн топлива. Втрое – 1910 тонн. И еще следует учесть, что формула не учитывает гравитацию, так что при старте с Земли топлива потребуется гораздо больше. Таким образом, с увеличением скорости экспоненциально растет количество топлива, которое должна нести в баках ракета. И это накладывает серьезные ограничения на достижение высоких скоростей.
Второй вариант связан с увеличением удельного импульса двигателя. Тут всё еще хуже. Дело в том, что увеличить удельный импульс можно только увеличив эффективность сгорания ракетного топлива. А его энергетическая эффективность на сегодняшний день достигла предела. Температура сгорания ограничена происходящими экзотермическими реакциями, и принципиально не повышаема. Поэтому удельный импульс также достиг максимума – в современных ракетах это примерно 4500 м/с.
Для наглядности: сверхтяжелая ракета-носитель «Сатурн-5» несла в себе почти 3000 тонн топлива. Для вывода на траекторию к Луне полезная нагрузка имела массу всего 65 тонн. То есть, масса полезной нагрузки составляла чуть больше 2% от общей массы. А при дальнейшем наращивании скорости этот процент станет еще меньше.
Поэтому скорость химических двигателей сегодня ограничена удельным импульсом и вряд ли когда-нибудь будет превышена. Это накладывает ограничения и на пилотируемую космонавтику: дальше Луны и Марса человек вряд ли сможет полететь – такой полет займет долгие годы.
Таким образом, теоретического предела скорости химического двигателя нет, но есть технологический предел, определяемый количеством топлива, которое может нести в баках ракета, и конструкторы этот предел достигли.
Интересный факт: если бы Земля была всего в 1,5 раза больше по массе, космос до сих пор был бы для нас недосягаем: современные ракеты на химическом топливе не смогли бы разогнаться до требуемых скоростей, чтобы преодолеть гравитацию.
Единственный выход – использовать двигатели, работающие на другом принципе и способные значительно увеличить удельный импульс. В этом отношении наиболее перспективными являются ядерные ракетные двигатели.
INFINITY (Вселенная Космос Земля)
:Dream Chaser
ЕСТЬ ЛИ ПРЕДЕЛ СКОРОСТИ У РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ?
Сразу оговоримся, что речь идет о тех ракетных двигателях, которые используются всю недолгую историю космического ракетостроения – то есть, химических. О других типах двигателей человечество в курсе, и некоторые из них даже используются в космической отрасли (в системах ориентации и маневрирования), но разогнать ракету до требуемых скоростей они пока не могут.
Вспомним немного теории. Принцип действия современных ракетных двигателей появился благодаря двум великим ученым. Один из них – Исаак Ньютон, который сформулировал закон действия и противодействия (именно на принципе отдачи основано реактивное движение). Второй – Константин Циолковский, который вывел в 1897 году формулу, определяющую скорость летательного аппарата, использующего реактивную тягу:
Получается, что скорость можно увеличить только двумя путями.
Первый путь – изменение соотношения масс. Чем больше топлива в ракете, тем быстрее она сможет разогнаться. Проблема, однако, состоит в том, что это соотношение масс расположено под логарифмом, и в этом кроется принципиальная проблема.
Второй вариант связан с увеличением удельного импульса двигателя. Тут всё еще хуже. Дело в том, что увеличить удельный импульс можно только увеличив эффективность сгорания ракетного топлива. А его энергетическая эффективность на сегодняшний день достигла предела. Температура сгорания ограничена происходящими экзотермическими реакциями, и принципиально не повышаема. Поэтому удельный импульс также достиг максимума – в современных ракетах это примерно 4500 м/с.
Поэтому скорость химических двигателей сегодня ограничена удельным импульсом и вряд ли когда-нибудь будет превышена. Это накладывает ограничения и на пилотируемую космонавтику: дальше Луны и Марса человек вряд ли сможет полететь – такой полет займет долгие годы.
Интересный факт: если бы Земля была всего в 1,5 раза больше по массе, космос до сих пор был бы для нас недосягаем: современные ракеты на химическом топливе не смогли бы разогнаться до требуемых скоростей, чтобы преодолеть гравитацию.
Источник: ...наука
#ЗемляКосмос