Показываю как примерно должна выглядеть правильная статья про эстакаду с картинками и формулами!
В КОСМОС С ЭСТАКАДЫА. Семёнов.
Большим сторонником эстакады был Циолковский.
Эстакада появляется и раньше, но по-настоящему мощно она появляется в фильме "Космический рейс" 1935 года, главным консультантом которого был Циолковский (за год до своей смерти).
Эстакада - главный инструмент запуска реактивных приборов для исследования
космического мирового пространства (космолётов, астропланов, астролётов, космопланов, нужное подчеркнуть). Например в знаменитом романе украинского писателя-фантаста Владимира Владко "Аргонавты Вселенной", первая версия которого печатается в 30-х, астроплан академика Рындина на Венеру (приводимый в движение загадочно-мощным топливом "атомит") изначально стартует как гидросамолёт с водной глади (с поверхности озера)...
Но послевоенная версия книги уже на украинском языке (где вместо зайца-китайца на борту появляется гарна дивчина Галя) астроплан стартует правильно. С эстакады проложенной на вершину горы Казбек.
Туда же прокладывается и, можно сказать, последняя эстакадная магистраль в таком духе.
Ракета на Луну в фантастическом выпуске журнала
Знание-сила за 1954-й год, где ведётся как бы репортаж о запуске первого в мире космического корабля "Луна-1" в далёком тогда 1974 (через 20 лет). Первый космический и сразу - на Луну! В 1955 выйдет красочный диафильм об этом же "Полёт на Луну":
Казбек постоянно привлекал к себе внимание всех фантастов, возможно потому что был на пачке известных папирос.
Отвлекаясь, а вы бывали там? Мне - посчастливилось. Село Казбеги на самой верхней точке военно-грузинской дороги - старт. И дальше вверх, вверх... Перевал "Молодой коммунист"...
Именно на траверсе Казбека я стер за один поход в 1986м новые кивеские (цельно литые!) только-только купленные вибрамы. Две недели по вулканической сыпухе вокруг Казбека в горном походе 2-й категории сложности (Казбек был у меня всё время справа) и... протёрлась дырка! Хотя вибрамы были неплохие, очень прочные. Восточный Кавказ в отличии от Западного. Там я был в 1983-м, Домбай, Марухский перевал. Восточный Кавказ отличался сухим стабильным, я бы сказал, азиатским климатом. Хотя Западный Кавказ был тоже удивительно стабилен, в том смысле что во второй половине дня там почти всегда был дождь. Облака, затянутые с Черного моря создавали это постоянную сырость ближе к вечеру. И эти субтропики... Везде где можно (в тени) лежит снег, летом уже даже на 2000-2500. И этих пихты в долинах! Казбек был куда суше и даже ледники тут выглядели куда более древними. Сыпуха, сыпуха, сыпух... В общем это были совершенно два разных Кавказа. В 1986-м я как раз вернулся со службы в Узбекистане и знал что такое резко-континентальный климат не по учебникам. Казбек мне напомнил недавнюю Азию откуда я только-что вернулся.
Но возвращаясь к журнальному полёту на Луну в 1954-м.
Здесь впервые вместо загадочного атомита или ультролиддита из довоенных 30х применён "мирный атом". Водный раствор солей урана-235 в двигателе-ракеты достигают критической массы и испаряются с невиданной для любой химии калорийностью (впервые настоящая твёрдая научная фантастика!). В результате достигалась невиданная для обычной химии скорость истечения в 10 км/с и массовое число одноступенчатого космоплана, который должен был взлететь, сесть на Луну, оттуда опять взлететь и вернуться в атмосферу Земли уже пустым было всего 12
То есть на 1 тонну пустого космоплана 12 тонн воды (как ракетной массы) плюс соли урана.
Круто?
Одна "проблемка", для такой скорости истечения (воды!) вам нужна была температура в камере сгорания 4 000 К и поэтому ключевой элемент всей конструкции некая особая чудо-керамика, которая не испарялась при такой температуре (напомню что самый тугоплавкий материал графит сублимирует, то есть испаряется при 3200 К).
То есть. Даже после того как вечная проблема недостаточной энергетики химического топлива как бы вроде бы была преодолена атомным веком, всплыла вторая проблема - температура (а я добавлю давление плюс молярная масса отбрасываемого газа):
R - универсальная газовая постоянная. k - по-сути тоже, показатель адиабаты газа (да она так здесь входит что особо ничего из неё и не выкрутишь), а вот Т- температура и M - молярная масса тут как бы взаимозаменяемы. Даже давление p в камере и на срезе сопла входят всего лишь как коэффициенты при КПД двигателя (квадратная скобка). Но ключ к скорости истечения, температура (которую надо как-то удержать в сосуде под огромным до 500-700 атм давлением) и молярная масса...
В сущности на этом все опыты по атомному ЯРД за пол века и... закончились. Минимальная молярная масса у водорода. Капризного флюида. При максимальной температура до которой можно разогреть твёрды карбид урана (он должен быть горячей чем нагреваемый проносящийся через активную зону реактора водород) в трвердофазном ЯРД и поставил предел истечения 8-9 км/с.
Да, была идея жидкостного реактора (расплавленного) но потом сразу же перешли к газообразному ядру (горишь сарай? гори и хата!). Газофазный ЯРД. Мечта... Жар-птица космонавтики...
Даже будучи ребёнком (ну отроком) я был очарован это идеей. Кварцевая прозрачная лампа, омываемая неоном. Раскалённое до ультрафиолета ядро ядерного реактора... Обтекающий водород нагревается (хотя как, Карл? Он же прозрачный! А надо добавлять... сажу...) и скорость истечения получается (в теории) 15-25 км/с! Вау!!!
Но... увы...
Что народ в 50х 60х и даже 70х только не придумывал?
Именно что бы не транжирить и дорогой и страшно грязный после реактора газ урана 235 в газофазном реакторе (лунная ракета 1954-го года была однозначно схемой типа "физлер", свистун, транжирившая уран через сопло и загрязнявшая им всё и вся, бедные операторы на вершине Казбека!) изобреталось самое невероятное... и нерабочее. Настолько, что всё - умерло. Остался только расточительный газофазный "физлер". К этой отчаянной идее уже в 90х вернулся и друг всех марсиан - Зубрин (кто не знает Зубрина? Что вы тут вообще тогда делаете, уважаемые?) со своей странной ракетой на солях урана и с этим опять забегали по новому кругу (я сам принял участие в забеге). Этокий атомный паравоз. Своего рода цикл Реинкина (всё новое- хорошо забытое старое).
Это тоже схема "физлер" с бездной нерешённых вопросов (например давление в камере сгорания должно быть не ниже 700 атм, иначе, при нормальном давлении, камера сгорания будет... под 100 м в диаметре. Реактор есть реактор и критичность в нём надо достичь. И если у вас не вода а водород и всё в виде газа...). Конечно же "физлер" не годился и надо было хоть как-то разделять "тяжёлую плазму" (урановый газофазный реактор) и обтекающий его водород. Лампа была хорошим решением но... нереальным....
Дольше всех в тему газофазного ЯРД упирались... в СССР.
Тихо, тайно, неслышно. Под крышей академика Келдыша с конца 50х по середину 80х (до самой своей смерть, даже пережив на десятилетие кршевавшего его шефа) работал такой себе неизвестный член-корресподнент АН СССР, профессор Иевлев...
Он то в СССР и был по-сути главным по самой безумной идее. Газофазный ЯРД... Они с Келдышем эту проблему обложили систематически и фундаментально... В итоге предполагалось удерживать плазму магнитным полем...
И даже не сам двигатель, а подходы к нему (эксперементально-теоретическая база) было потрачено более 25 лет! А начиналось всё еще в конце 1950х... Иевлев ездил с подачи Келдыша в Арзамас-16 спорить с Сахоровым. О чем? Что лучше газофазный непрерывный ЯДР (на котором стоял Иевлев) или импульсный ядерный бомболёт (над которым в СССР некоторое время тогда работал Сахаров)?
Эпоха была великих надежд и ожиданий!
Первым всё понял про ЯРД Королёв (что из этого раЯ не выйдет них....чего).
Еще в начале 60х. И приказал своим людям проектировать полёт на Марс ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО НА ЖРД.
Не ждать милости от природы.
Гений! Ну ГЕНИЙ ЖЕ!
То что я и называю саркастически "художник". Который ВИДИТ то, что нихрена не способен видеть среднестатистический даже хорошо образованный, натасканый инженер. Каждый инженер что-то проектирующий (хот приспособление для метала обработки) должен быть чуть-чуть художником и гадалкой-пророком. Но настоящий гений инженерии должен быть художественным гением и настоящей Вангой. Королёв был таким. И всё что он делал далее (закладывал Н-1) - это было понимание КУДА надо реально двигаться и на что нахрен не надо и тратить куме силы!
Но кум (Келдыш) тратил.
В итоге у нас до сих пор нет чудо-двигателя ДАЖЕ В ТЕОРИИ (я взрыволёт не упоминаю вообще). И хрен когда намечается.
Даже не совсем чудо (твердофазный) ЯРД, прошедший у американцев (синица в руке!) через полный цикл стендовых испытаний в 1973 был как-то мутно прикрыт. Сейчас они опять пытаются к нему вернуться... Но...
Всё что у нас (человечества) есть - это "Раптор". Вершина технологии. Ну и старый, затёртый, водородный RS-25 от списанного Шаттла. То есть старые добрые ЖРД закрытого цикла со всеми достоинствами и недостатками.
Это - предел.
Стена. Упор. Вершина (как у того Казбека). Электроракетный ядреный (типа космический буксир "Нуклон" я тут не рассматриваю потому что взлететь с поверхности Земли он не может и никогда не сможет).
Причём тут тема эстакады?
Вот причём.
Вопрос не только и не столько в источнике энергии и даже не в пресловутой температуре газа и молярной массе... Вопрос еще и в такой мало кем замеченной УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ (да, да, кто о чём а Семёнов о киловаттах на кг, ибо звездолётчик где эта проблема сидит в самом сердце!)
Первый реально работающий ядерный ракетный двигатель у американцев назывался "Киви".
Киви не только фрукт, появившийся в наших магазинах с глобализацией (не всё в глобализации плохо, даже я признаю!) но еще и такая не летающая новозеландская птичка.
Почему не страус? KIWI это еще и аббревиатура (на вскидку не найду как читается). Но второй смысл "киви" (инженеры любят шутить не меньше физиков) был в том, что тяга этого первого реактора была МЕНЬШЕ чем его собственный вес. То есть это было бескрылая птица. Она не могла летать. Не настолько бескрылая как любой электро-ракетный ядреный "буксир", но оторваться от земли ракета с таким двигателем не могла. Да и не должна была. Это был первый пробный вариант. Попробовать технологию. И первые же неприятности. С газом вылетают частички реактора. С этим будут бороться еще более 10 лет и до конца не поборют. Эта же проблема будет и в советском РД-410 (так как программа ядерного РД была передана NASA, материалы по их результатам были все открыто опубликованы и в СССР могли ознакомится с результатами и проблемами коллег). Поэтому РД-410 работал только в варианте термической полномасштабной модели (нагревался не делением реального урана омическим сопротивлением подводимого тока, но вся газодинамика и материалы в нём были настоящие). Хотя в СССР добились лучшей теплопередачи и лучшего УИ, всё равно частички твердофазного реактора откалывались и летели наружу.
Возможно, именно это и поставило крест на проекте в США. Не только месть Никсона.
Там конечно была своя сумма проблем. Ну например. Реактор легко запустить. Но его не так то легко остановить. До 10% энергии деления выделяется же не в ходе цепного процесса, а быстрого полураспада перегруженных нейтронами осколков. То есть остановленный реактор еще очень долго остаётся горячим (катастрофы Чернобыля и Фокусиимы связаны именно с этой особенностью всех ректоров).
Циклограмма работы ЯРД (Т и р — соответственно температура и давление рабочего тела на выходе из реактора): А — пуск ЯРД (1-5 мин); Б — основной режим работы (0,5-30 мин); В — выключение (1-3 мин); Г — охлаждение реактора (неск. ч — неск. сут); 1 — открытие главного клапана, подача рабочего тела и температурная стабилизация конструкции, пуск и разогрев реактора, раскрутка турбонасосного агрегата; 2 — набор тяги; 3 — выход ЯРД на режим конечной ступени; 4 — режим конечной ступени; 5 — выключение реактора; 6 — останов турбонасосного агрегата; 7 — начало управления тягой; 8 — окончание управления тягой
Но и это - не всё! Даже если бы мы оседлали подобные двигатели реально, со скоростью истечения в ~ 10 км/с (ну 9, не суть), у них есть особенность, мало кому видная. А вот основателю теоретической космонавтики (котрый никогда не видел старта настоящей тысячетонной ЖРД-ракеты) была в общем-то очевидна...
Мощность это секундный расход топлива m' (кг/с) умноженный на скорость истечения в квадрате u пополам
А тяга это секундный расход топлива m' на просто скорость истечения u
Не важен тип топлива. Ультроллиддит, атомит, хрерчудо-вакууумит... Не важна даже температура (пусть у вас волшебная керамика держит 6 000 К), даже в этом случае у вас есть явная проблема.
Что бы добраться до цели полёта и вернуться назад, с Луны, Марса, Венеры, реактивный прибор в межпланетном пространстве должен иметь скорость истечения явно выше той, что способна дать химия (всего 4.5 км/с).
Это ясно из формулы Циолковского.
Но если вы повышаете в вашем чудо-двигателе скорость истечения u и экономите m' (в сравнении с ЖРД), то у вас пропорционально растёт удельная мощность N (если хотите сохранить тягу F).
Но рост мощности (особенно при сохранении массы сухого реактивного приборам M, то есть рост удельной мощности N/M) - нереален. И действительно. Вот картина маслом:
Киви конечно же не летал. Но наследник NERWA уже мог себя поднять. При массе 9 тонн он создавал тягу 33 тонны. Но обратите внимание, что это по-сути предел и это куда хуже чем у типичного (водородного, не самого крутого по тяге) ЖРД. При массе в 1 тонну он выдает тягу в 89 тонн силы!
Почему?
Скорость истечения ниже и значит тонна тяги энергетически обходится ЖРД куда ниже чем высоко-импульсному ЯДР.
Но и это - не всё.
Удельная мощность (ватт кг массы) у ЖРД куда выше чем у твердофазного и даже ГИПОТЕТИЧЕСКОГО (который хрен кто построил) газофазного ЯРД. Последний вообще имея 31 тонну массы выдает всего то 41 тонну тяги! Едва способен сам себя оторвать в вертикальном, ракетном старте от земли.
Конечно от земли, на старте никто не собирался в наше время включать чудо-ЯРД двигатели. Но в эпоху основателя космонавтики таким еще мало кто заботился. И кинооператоры на вершине Казбека тоже не беспокоились тем, что их обдаст радиоактивных выхлоп из дюз чудо-ракеты Луна-1!
Но вот что понимал основатель космонавтики, так это то, что любая будущая чудесная машина-двигатель вряд ли сможет вертикально поднять и разогнать его астроплан, астролёт, космоплан, космолёт... с запасом топлива (массовым числом 12 или даже больше) ракетой, двигателем, кабиной, каютами... в общем весь этот "блекджек со шлюхами" и потянуть это вертикально вверх...
ЖРД - может. Это его уникальная способность.
Гигантская тяга и такая же гигантская энерговооружённость (покупаемая не очень высокой скоростью истечения).
Но если мы прорвёмся через барьер химической скорости истечения (ультролиддит, атомит или еще какое-то чудо), то скорей всего такой астроплан вместе со всеми "шлюхами" будет иметь тягу НИЖЕ собственного веса на старте.
Да, когда топлива поубавится, мы может быть сможем садить нашу ракету на хвост и вертикально взлетать (это было очень удобно). Но тут, на Земле, пока ракета еще тяжела, она (полагали все здраво мыслящие теоретики космонавтика) просто не может иметь тягу выше чем собственный вес. Ну 0.9 от веса, ну 0.75...
Ну и фиг с ним! У нас же тут на Земле - атмосфера. И мы можем держать ракету на крылышках, постепенно поднимаясь в более разряженные слои.
Выход на орбиту - это как выстрел из пушки Ньютона.
Нам не нужно вверх! (никому не надо, даже вертикально стартующей ракете) Нам нужно по касательной к Земле. То есть лучшее направление взлёта - по-самолётному. По-горизонтали. Ну а теперь считаем. Тяга у нас чуть меньше веса (он же масса). Скажем 0.9 Значит и ускоряться мы будем с таким ускорением (атмосферное сопротивление пока пренебрежём). 8,82 м/с
2. Если считать разгон равномерным прямолинейным то до 8 км/с он будет длиться 15 минут. Но реально меньше так как масса падает (правда не так быстро как у ЖРД-ракеты) и ускорение нарастает. По истечению этих минут вы подниметесь в космос и вас там уже будет "держать" центробежная сила. Но до того как, что вас будет держать? Центробежная сила будет нарастать постепенно. Но на что вы будете опираться пока она не сравняется с силой тяжести ракеты?
На крылья!
Атмосфера же! И притом переменной плотности. Можно выбирать высоту под скорость (правда не учтено что за 5 махов даже в разряженной атмосфере все кромки будут у вас буквально гореть синим или даже ультрафиолетовым пламенем! А на 10, 15 махах... Но оставим это пока в стороне).
Однако. Как эта ваша бандура пока заправленная под завязку взлетит? Как самолёт? На какой скорости отрыва от взлётной полосы? 200 км/час? 300 км/ч?
Суть ведь в чём? Подъемная сила крыла пропорциональна квадрату скорости. Если вы летите в атмосфере на 800 км/ч, вам нужно совсем небольшое крыло! Вот. Крылатая ракета:
У нее - немощные крылышки. Потому что она не взлетает на скорости 200 км/ч как обычный самолёт. Она раскрывает крылья уже на 600-800 км/ч. То есть на скорости в 3-4 раза большей чем типичная взлётная. А значит и площадь крыла нужна в 9-16 раз меньше!
Космолёт, космоплан, астролёт, астроплан тоже не может себе позволить большие крылья (зачем же их тягать за собой? садиться? если и будет то уже пустой! Немощных крылышек хватит). Но как взлететь? Нужен "аэродром", по которому ракета с немощными крылышками (и тягой меньше собственного веса) разогнлалась бы ну до 400 или 500 км/ч и тогда....
И тут все средства хороши. Та же пороховая тележка, например...
Ну и конечо.
Если у нас такой эффективный чудо-двигатель (с одним недостатком, тяги не хватает стартовать вертикально), то бессмысленно эстакадный астроплан делать многоступенчатым.
Идея многоступенчатости была предложена К. Э. Как временное, вынужденное решение. За отсутствием чудо-двигателя. Хотя если... То...
Обобщая.
Основатели космонавтики конечно же не были идиотами. Они мечтали о чудесном топливе, которое будет истекать со скоростью 10 км/с, 12 км/с... Но они понимали что подобный двигатель потребует расплаты. И расплаты именно тем, что тяга не сможет быть выше полностью заправленной ракеты. Поэтому ее надо "класть на крыло" (очень небольшое) и разгонять по эстакаде-рельсам (что бы без пилота).
Хотя советский фильм "Космический рейс" снимался позже немецкого "Женщина на Луне" (1929 год) где консультантом был свой гений Оберт и там ракета стартует (из очень оригинального комплекса) вертикально...
При том с чудовищным ускорением (как выстрел из пушки!), я думаю если Циолковский это видел, его покоробило это. И он настоял на эстакаде как ФИЗИЧЕСКИ более реалистичном решении.
И он был в чём-то прав.
Сейчас, люди, избалованные видом вертикального старта ЖРД ракет, наивно полагают, что ракеты с лучшими характеристиками будут так же вертикально взлетать как ЖРД ракеты от матушки-земли. Хотя тот же Келдыш и Иевлев прекрасно понимали, что даже если и будут созданы те самые чудо-двигатели с 15-20 км/с истечением, то они не смогут поднять космолёт с Земли. Но это уже было и не нужно. Были ЖРД первые ступени, которые бы подняли бы и предварительно разогнали бы малосильную вторую чудо-ступень куда проще и лучше чем любая эстакада.
То есть.
Эстакады навсегда ушли в прекрасное прошлое.
Раз и на всегда.
И возврата им, увы...
Хотя... Никогда не говори "никогда".
Но если это будет, это будет совсем другое качество. Скажем,
петля Лофстрома... Это уже - астросооружение.
Это уже будет в духе другого советского визионера. Покровского...
