Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук
Уже это говорит, что космонавтика имела огромное значение для СССР, а количество задействованных министерств и организаций из самых разных отраслей позволяет представить, какая технологическая и научная мощь стояла за выполнением этой задачи.
Космические технологии
Основоположник теоретической космонавтики Константин Эдуардович Циолковский мечтал о полетах на орбиту. Он же показал, что для этого нужно. В первую очередь, зная, что в безвоздушном пространстве невозможно от чего-то оттолкнуться и не на что опереться, он предложил использовать реактивную тягу, а главное – произвел необходимые расчеты.
Существует сила, возникающая, если от одного тела быстро отлетают части, обладающие массой. Благодаря этому остальные части этого тела движутся в противоположном направлении. Это явление также можно вывести из двух законов Ньютона и закона сохранения импульса. Сила – это произведение массы тела на ускорение; сила действия равна силе противодействия; и, наконец, в замкнутой системе произведение массы на скорость сохраняется. То есть если от движущегося предмета оторвать кусок, предмет начнет двигаться быстрее. Ракета, или, как изначально выражался Циолковский, реактивный прибор, летит за счет топлива, которое отбрасывается с большой скоростью. Константин Эдуардович вывел формулу реактивного движения, названную его именем. Хотя ради исторической справедливости нужно отметить, что математическое описание тел переменной массы чуть раньше выполнил российский математик Иван Всеволодович Мещерский. Тем не менее Циолковский это сделал самостоятельно, другим способом и нашел применение своей формуле.
Хотя ракеты в виде фейерверков и снарядов, которые больше пугали, чем несли пользу, уже были известны давно, широкого применения не находили из-за того, что было непонятно, как контролировать процесс. Циолковский и Мещерский показали, что реактивную тягу можно использовать в разных видах транспорта, причем набирать скорости гораздо выше, чем у машин, самолетов и даже пуль. Даже биологи при изучении кальмаров и медуз пользовались их расчетами, чтобы глубже понять физиологию морских животных, что передвигаются таким необычным образом.
После ракет активно развивается реактивная авиация, реактивные машины ставят рекорды скорости, появляется целая серия катеров на реактивной тяге. Общая теория движения с переменной массой учитывается при проектировании конвейеров и различных типов транспортировки.
Второй вопрос, который рассмотрел Циолковский, – как добиться высокой скорости вылета топлива. Нужно было придумать способ быстрого выделения энергии, а ведь на тот момент ядерные и термоядерные процессы еще не были известны. Константин Эдуардович предложил использовать химические реакции, указав два варианта: первый – поджечь водород и кислород в жидком виде; второй – соединять углеводородное топливо, например бензин, с кислородом. Первые инженеры, которые взялись за реализацию идей Циолковского, сразу поняли, что есть и другие возможности, например твердые виды топлива: порох, динамит. А могут быть и пока еще не известные соединения! Так, в организации ГДЛ (газодинамическая лаборатория), основанной в 1921 году, начались первые эксперименты с взрывчатыми веществами, которые могли применяться в качестве топлива для ракет. В 1930 году к исследованиям присоединилась только что созданная группа изучения реактивного движения (ГИРД). В дальнейшем обе организации слились в одну под названием РНИИ (ракетный научно-исследовательский институт). Сотрудники много пробовали, взрывали, запускали. Был даже случай, когда гирдовцы провели эксперимент в подвале жилого дома, – прогремел мощный взрыв, но, к счастью, дом устоял и никто не пострадал. Тогда было открыто новое взрывчатое вещество, но применения ему не нашлось. Зато появилась интересная идея – создать гибридное топливо. В бензин добавлялась канифоль, которая приводила к сильному загустению горючего вещества, в итоге получился материал, напоминающий пластилин. Собственно, на этом топливе первая в СССР ракета под названием ГИРД‐09 поднялась в воздух.
В США аналогичные эксперименты начались с того, что три студента чуть не взорвали общежитие. Их энтузиазм перетек в создание новой лаборатории, позже ставшей знаменитой организацией NASA.
Одно было общим: поиск, синтез, создание новых эффективных видов топлива и взрывчатых веществ.
С твердыми видами материалов долго не складывалось. Контролировать горение не удавалось, но новые материалы можно было использовать как взрывчатку. Химики стали производить стабильные соединения, нашедшие применение в горных, строительных, демонтажных работах.
Тогда космические инженеры перешли к жидким видам топлива. Особый интерес вызывал спирт, но он должен был быть невероятно чистым, с меньшим содержанием воды, чем даже у медицинского спирта. Такой очень трудно создать, а его цена огромна. Химики стали искать новые, более эффективные и более дешевые способы перегонки и очищения, и это удалось. Спирт стал более доступным, а его применение – огромным. Это универсальное вещество нужно и в технике, и в медицине, и в энергетике, и в химическом производстве.
Но чтобы на орбиту полетели первый спутник, первое животное и первый человек, ракеты-носители использовали керосин.
Процесс перегонки нефти предполагает нагрев, в котором самые легкие фракции испаряются и улетают. Если пары собрать и охладить, получается бензин. Керосин тяжелее, и чтобы его получить, нужно нагревать сильнее, но вместе с полезной фракцией начинают испаряться примеси, например сера. Легкий бензин слишком быстро испаряется и слишком легко взрывается, чтобы его можно было использовать в ракетах. Керосин тяжелее и лучше подходит, но он был низкого качества. Новые методы глубокой гидроочистки позволили получить новые сорта керосина, применяемые не только в ракетно-космической области, но и в авиации. Метод очистки и отделения фракций стал применяться и для бензина.
Топливо, которое используется сейчас, еще тяжелее, плотнее и безопаснее, чем керосин. Хотя его получают при помощи той же перегонки, но со сверхглубокой очисткой. Его название – нафтил. Также для повышения качества химики разработали синтетический материал, который вообще не имеет негативных примесей. Это чистое топливо получило название синтин; оно также славится своей текучестью и смазочными свойствами. Правда, этот материал крайне дорогой в производстве и сейчас перестал использоваться. Но в будущем, возможно, будет найден более дешевый метод синтеза, который сможет изменить представление о топливной энергетике.
Пока для увеличения эффективности горючего разрабатывают присадки, которые потихоньку начинают использовать не только для покорения космоса, но и в производстве смазочных материалов.
У военных в 1960‐х годах появился новый запрос. Кислород, необходимый для химической реакции, нужно поддерживать в жидком виде, а значит – охлажденным до температуры порядка –180 °C. Долго оставлять окислитель в таком состоянии очень сложно, а сделать так, чтобы ракета стояла на боевом дежурстве несколько лет,
