В качестве примера рассмотрим случай полета космического корабля на Луну. При взлете с Земли потребуется развить скорость 11,5 км/с. Для посадки на Луну скорость корабля надо снизить на 2,5 км/с. Для взлета с Луны надо придать кораблю скорость 2,5 км/с. Для возвращения надо погасить скорость на 11,5 км/с. На компенсацию аэродинамических и гравитационных потерь добавим еще 3 км/с, столько же – на маневрирование, необходимый резерв и возможные ошибки пилотирования. В итоге получается, что для лунной экспедиции характеристическая скорость составит 34 км/с. Эту скорость можно снизить до 24–25 км/с, если возвращать корабль не целиком, а только спускаемую капсулу, использующую парашют, но все равно она очень велика. Для полетов к Марсу характеристическая скорость еще выше, даже в идеальном случае будет больше 30 км/с; для Венеры – 35 км/с.
Ракеты Константина Циолковского
Сила знаменитой формулы Циолковского в том, что она сразу дает возможность определить исходную массу ракеты, основываясь на том, какой полезный груз нужно разогнать до космических скоростей. В своей классической работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами»
Циолковский выбрал в качестве критерия достижимости ракетами небесных тел способность развить скорости, равные скорости Земли в ее движении по орбите (30 км/с). Он также показал, что даже при использовании самой легкой и высококалорийной топливной смеси (водород + кислород) масса топлива в 193 раза будет больше массы ракеты. Но теоретические ракеты Циолковского – это тот самый сферический конь в вакууме, о котором любят шутить физики. Когда речь заходит о реальной ракете, формула начинает обрастать коэффициентами, учитывающими совершенство ракеты, двигателя и т. д. Да и с водородно-кислородным топливом все непросто – символический клуб «водородных» держав, сумевших создать свой «национальный» водородно-кислородный двигатель, до сих пор намного скромнее клуба «ядерных» держав. Получается, что и 193 раза – это недостижимый идеал. Вообще говоря, одноступенчатая ракета Циолковского, которую он описал в 1903 году, при старте с Земли не способна развить даже первую космическую скорость. Основоположник быстро понял свою ошибку и к 1916 году продумал концепцию многоступенчатой ракеты, которая позволяет избавляться от лишнего груза (опустевших баков) прямо в процессе полета. Но тут возникают дополнительные проблемы. Смогут ли выдержать фермы, соединяющие ступени, динамические и термические нагрузки скоростного полета? Как организовать разделение ступеней? Как запустить двигатель второй ступени после отделения первой? На эти вопросы в первой половине ХХ века никто не мог ответить, но они, разумеется, тревожили тех теоретиков космонавтики и пионеров ракетостроения, которые пытались всерьез размышлять о межпланетных полетах. Качественный выход виделся всего один – использование энергии тяжелых элементов.
Об этом осторожно пишет Константин Циолковский уже в работе 1903 года: «Новооткрытые элементы <…> должны выделять при своем соединении несравненно большее количество энергии, чем тела, считаемые теперь условно простыми и имеющими сравнительно большой атомный вес».
В статье 1911 года он говорит о том же более уверенно: «Думаю, что радий, разлагаясь непрерывно на более элементарную материю, выделяет из себя частицы разных масс, двигающиеся с поразительной, невообразимой скоростью, недалекою от скорости света. <…> Тогда, чтобы ракета весом в тонну разорвала все связи с солнечной системой, довольно было бы щепотки радия».
Здесь Циолковский описал так называемую «псевдоракету», которая летит прямо под воздействием вырывающихся из сопла продуктов ядерного распада. Эту схему обсуждали вплоть до начала 1950-х годов, и особенно она пользовалась успехом у популяризаторов космонавтики, которые привычно не вдавались в технические подробности, описывая исключительно перспективы – т. е. возможность создания звездолета с таким двигателем. Однако конструкторы реальной техники почти сразу отказались от нее. Дело в том, что частицы вещества в таком двигателе при своем движении создают температуры в миллионы градусов, и стенки мгновенно прогорают. Чтобы двигатель был работоспособным при столь большой скорости движения частиц, нужно значительно уменьшить их число, то есть в миллионы раз уменьшить тягу двигателя, но тогда вся выгода пропадает. Куда больший интерес ракетчиков вызвало совмещение ядерной энергетической установки с электроракетными двигателями. Еще им было понятно, что разогретый инертный газ или жидкий металл куда лучше подходят для разгона в космосе, чем любое химическое соединение из горючего и окислителя. Опять же нет необходимости в окислителе, который занимает изрядную часть баков (к примеру, для сжигания 1 кг водорода нужно 8 кг кислорода). Но чтобы разогреть и, соответственно, разогнать газ или металл до реактивной струи нужен очень мощный источник энергии, и урановые реакторы могли таким источником стать.