Технические характеристики

Под технической характеристикой следует понимать описание физических свойств или возможностей образца техники, например ракеты или самолета. Техническая характеристика, конечно, не служит мерой их военной или экономической ценности. Это можно легко показать, рассмотрев самую распространенную из технических характеристик - скорость.

Скорость есть не что иное, как отношение расстояния к времени, необходимому на его преодоление, т. е.

В одних условиях нужна большая скорость, а в других - малая. Рассмотрим случай, когда необходимо преодолеть большое расстояние за определенный промежуток времени, например межпланетный полет, который должен быть завершен за ограниченное число лет. Здесь сами масштабы расстояний диктуют высокую скорость. Наоборот, если интересы дела требуют прибыть из Лос-Анжелеса в Лондон возможно быстрее, то требование к сокращению срока пребывания в пути обусловливает необходимость больших скоростей. Высокая скорость является также целью в проектировании бомбардировщиков или баллистических ракет, которые должны преодолеть заданное расстояние до цели в возможно более короткое время.

Возможны также другие ситуации (или операции, выражаясь военным языком), где желательны только малые перемещения или долгое пребывание в замкнутом пространстве. Так, некоторые задачи разведки, наблюдения или патрулирования требуют длительного пребывания в относительно неподвижном состоянии, и здесь будет желательна малая, а не высокая скорость перемещений. Следовательно, если о скорости полета самолета будет сказано, что она высокая или низкая, это еще не даст основания считать самолет хорошим или плохим, если не известно его назначение.

Определив таким образом скорость как техническую характеристику, интересно оценить физические ограничения скорости. Нижний предел скорости, очевидно, равен нулю. Однако, чтобы это заявление имело смысл, мы должны определить скорость по отношению к чему-то, скажем, относительно Земли. Сам читатель в этот момент времени, вероятно, неподвижен относительно Земли и не испытывает трудности сохранения нулевой скорости в течение долгого промежутка времени. Однако выдерживать нулевую скорость относительно Земли в полете на некоторой высоте значительно труднее. В принципе с этой целью можно использовать воздушные шары или другие аппараты легче воздуха, однако все они подвержены ветровому сносу, они имеют ограниченную полезную нагрузку и поддерживать их нулевую скорость относительно Земли трудно или невозможно. Сохранить неподвижность относительно Земли можно также с помощью маневрирующих аппаратов - вертолетов или самолетов с вертикальным взлетом и посадкой. Однако аппараты тяжелее воздуха должны непрерывно развивать тягу для преодоления силы тяготения, и запас горючего ограничивает длительность их полета.

Аппаратом, способным сохранять нулевую скорость относительно Земли и не подверженным ветровому сносу (как в случае воздушных шаров) или ограничениям длительности полета (как вертолеты), является стационарный искусственный спутник Земли. Он способен, находясь на экваториальной орбите, сохранять неподвижность относительно некоторой точки на поверхности Земли. Этот пример создает ложное впечатление из-за относительного характера природы скорости. Так, хотя стационарный искусственный спутник Земли имеет нулевую скорость относительно поверхности Земли, скорость ракеты-носителя при выводе его на орбиту высотой около 36 тыс. кмдостигала 7,5 км/сек. Другими словами такой искусственный спутник обладает одновременно очень большой скоростью по техническим характеристикам и малой по оперативным свойствам.

По современным представлениям о законах природы верхним пределом скорости будет скорость света, т. е. та скорость, с которой электромагнитное излучение распространяется в вакууме. Известное всем значение скорости света (300 000 км/сек) позволяет радиосигналу обойти вокруг Земли за 1/8 сек. Другой вопрос в том, можно ли достигнуть этого предела, т. е. скорости света? Несомненно, можно сказать «да», если подразумевать скорость распространения электромагнитных волн (сигналов в вакууме). Однако такие материальные тела, как космические корабли или беспилотные аппараты, согласно принципам теории относительности не могут развить скорость, близкую к скорости света, поскольку это потребует затраты бесконечного количества энергии на их ускорение. Интересно оценить, как близко скорость ракетного аппарата может подойти к скорости света. Из рис. 9.1 видно, что максимально достижимая скорость зависит главным образом от запаса энергии и возможности ее использования ракетным кораблем.

По вертикальной оси на рис. 9.1 отложена величина интересующей нас технической характеристики - скорость ракеты в момент выключения двигателей. Она представлена логарифмом отношения скорости выключения двигателей к скорости света. Наибольшее значение (1,0) соответствует скорости света, а наименьшее из показанных значений (10^-5) соответствует скорости выключения двигателей, равной 3000 м/сек. На оси в правой части графика показаны также абсолютные значения скорости выключения двигателей в тысячах футов в секунду. Рядом отмечены стрелками некоторые виды земных и космических полётов, осуществимых при данной скорости выключения двигателей. Например, скорость выключения двигателей обычной баллистической ракеты среднего радиуса действия (2300 км) составляет около 4,5 км/сек. Для преодоления космическим аппаратом силы тяготения Земли необходимо выключить двигатели при скорости около 10,5 км/сек, а для полета к наиболее отдаленной планете Солнечной системы - Плутону - необходимо развить скорость в 15 км/сек. Еще более высокую скорость к моменту выключения двигателей необходимо создать, чтобы выйти за пределы Солнечной системы. Скорость, требуемая для полета к другим звездным системам, будет определяться тем временем, которое наш воображаемый космический путешественник желает провести в полете. Так, верхняя стрелка в правой части графика показывает, что для достижения ближайшей к нам звезды Альфа Центавра за 30 лет т. е. примерно за половину активного срока жизни человека, необходимо развить 0,2 скорости света.

Кривые, изображенные на рис. 9.1, соответствуют четырем типам космических ракет, различающихся друг от друга количеством содержащегося в них топлива на старте. Возможности современных ракет будут лежать в зоне, ограниченной кривыми, соответствующими отношению веса топлива к полному весу ракеты, равному 0,9 и 0,99. Пунктирная кривая указывает, что даже для самых совершенных ракет будущего ограничения по скорости в момент выключения двигателей наступают при скоростях, значительно меньших скорости света, если не предположить возможность выделения чрезвычайно большой энергии.

На горизонтальной оси рисунка показано количество энергии, которое может быть выделено топливом ракеты. Теоретически наибольшее количество ее выделяется при аннигиляции, т. е. тогда, когда вся материя топлива будет преобразована в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна Е = mс². Для удобства энергию, выделяемую в реальных процессах, можно выразить через отношение ее к энергии аннигиляции. Именно так построена логарифмическая шкала горизонтальной оси графика. Обратите внимание, что даже наиболее мощный из известных в настоящее время науке процессов - ядерный синтез -позволяет преобразовать в энергию не более 1,% массы. В процессе распада урана выделяется еще меньше энергии - не более 1/1000 энергии аннигиляции. И все же при ядерных процессах выделяется энергия, примерно в миллион раз большая энергии при химических реакциях, даже при такой весьма эффективной реакции, как соединение кислорода с водородом (на рис. 9.1 показана у левого края горизонтальной оси). Вертикальная стрелка со знаком «Н + Н» отмечает теоретическое количество энергии, которое может выделиться в «сверххимических» реакциях соединения нестабильных элементов (свободных радикалов) атомарного водорода (Н).

Методы хранения свободных радикалов не известны, так что потенциальные возможности подобного вида ракетного топлива не могут быть реализованы, по крайней мере в обозримом будущем. В этой связи следует также упомянуть, что показанная на рис. 9.1 скорость выключения двигателей ракеты при использовании энергии ядерного распада или синтеза может быть достигнута только теоретически при 100%-ном преобразовании ядерной энергии в кинетическую энергию реактивной струи. Однако ядерные реакторы, даже те, которые могут быть использованы в ракетных двигателях будущего, предусматривают передачу тепла к жидкому рабочему телу и имеют столь низкий коэффициент полезного действия, что реализуемая энергия ядерного распада может превысить энергию обычной химической реакции только в 100 раз, а не в миллион, как это возможно теоретически и показано на рис. 9.1.

По результатам исследований, представленным на рисунке, можно сделать несколько общих выводов относительно возможностей развития ракетно-космической техники:

1. Даже при 100%-ном использовании всей энергии, выделяющейся при самом мощном из известных процессов - реакции ядерного синтеза, скорость ракеты при реальном коэффициенте масс не может превысить 1/3 скорости света.

2. Ракеты разумного размера, вероятно, смогут выйти за пределы Солнечной системы, когда будут созданы достаточно эффективные средства преобразования ядерной энергии. Однако расстояние до небесных тел за пределами нашей планетной системы настолько велико, что вряд ли мыслимо создать ракету с отношением веса топлива к полному весу, необходимым для полета к ближайшей звезде с возвращением в пределах срока жизни человека.

3. Энергия химических реакций позволит, вероятно, совершать полеты к планетам Солнечной системы, но не за ее пределы.

Для пас очень важно то, что на рис. 9.1 показана возможность установления связи между технической характеристикой (в данном случае скоростью выключения двигателей) и двумя другими параметрами, которые можно назвать параметрами уровня развития техники. Это соотношение веса топлива к полному весу ракеты и отношение энергии топлива к энергии аннигиляции. Для любого периода времени в прошлом, настоящем или в будущем достигнутый уровень развития техники можно охарактеризовать определенной величиной таких параметров. Таким способом можно оценить реальные величины энергии топлива и отношения веса конструкции ракеты к весу топлива (веса топлива к полному весу ракеты), достижимые в будущем. Как видно из рис. 9.1, технический параметр можно очень удачно представить в виде плоской функции этих двух параметров уровня развития техники. Это не означает, Однако, что можно столь же просто построить кривую достижимой скорости выключения двигателей в функции календарного времени или долларовой стоимости разработки соответствующих технических средств. Оценки затрат времени и средств на исследования и разработки повой техники должны быть основаны на детальных исследованиях современного состояния в таких ключевых областях, как жаропрочные материалы, технология производства ракетных топлив, а также на исследованиях оценок средств производства и рабочей силы, необходимых для проведения исследований, конструкторских работ и пр. Как показано в гл. 12, такие оценки чрезвычайно трудны и могут вызвать большие ошибки.

Поиск по сайту: