Мир космоса: низкие температуры в ракетах и на других планетах

Понятия «космос» и «низкие температуры» поставлены рядом не напрасно. К такому сопоставлению ведет не только человеческая деятельность, связанная с выходом в космос, — их соединила сама природа.

Прежде всего нужно вспомнить, что в космосе (конечно, в тени, а не под лучами Солнца) очень холодно. Там господствуют температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

Первым, кто это понял, был великий химик и физик Антуан Лоран Лавуазье. Вспомним часть его знаменитого предсказания.

«Если бы Земля попала внезапно в среду с очень низкой температурой, подобной, например, температуре Юпитера или Сатурна, вода, которая образует теперь наши реки, моря, и, вероятно, значительное большинство известных нам газов и жидкостей превратились бы в горы и твердые скалы...»,

— писал Лавуазье

Антуан Лоран Лавуазье

Только теперь стало ясно, насколько был прав Лавуазье. Оказалось, что далекие планеты и их спутники — это гигантские криокладовые, о которых мы действительно, как он писал далее, «не имели никакого понятия».

Американские космические станции «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные к дальним планетам Солнечной системы, обнаружили там ожиженные и замороженные газы в таких количествах, которые и не снились земным криогенщикам. То, что удалось получить в земных лабораториях с колоссальным трудом, лежит, плавает и летает там с незапамятных времен.

Спутник Сатурна — Титан. На его поверхности очень холодно: в нижних слоях атмосферы температура составляет от 70 до 75K. Поверхность покрыта «болотами» и «морями» из жидкого азота с примесью углеводородов, над ними стоит азотный туман.

Моря на Титане

В атмосфере планеты Нептун, состоящей из смеси водорода, гелия и метана, плавают облака из метанового «снега», а под ними «почва» из водяного льда с «озерами» из жидкого метана. Его спутник - Тритон частично покрыт, как и Титан, «океаном» из смеси жидких азота и метана, а на «суше» громоздятся горные хребты из замороженного метана.

Плутон — самая отдаленная от Солнца планета — так же, как и его спутник Харон, почти полностью состоит из замороженного метана. Этот газ, который содержится в недрах Земли и используется как ценнейшее топливо, там служит основным «строительным» материалом гео- и атмосферы этих планет. Есть в Солнечной системе не только «крио», но и «холодильные» планеты и спутники. Например, Европа — спутник (вернее — спутница) Юпитера, не так холодна, как эти планеты. Она вся покрыта самым обычным водяным льдом. Но толщина этой ледяной корки фантастическая — около 100 км! По сравнению с ней даже самые толстые ледники Антарктиды и Гренландии — тонкие пленочки!

При этом нужно вспомнить и о том, как удалось узнать обо всем этом. Космическая техника, которая вывела американские станции и другие объекты на орбиты, без криогеники не смогла бы ни запустить ракеты-носители, ни управлять космическими лабораториями, ни поддерживать с ними связь на расстояниях, которые радиоволны, несущиеся со скоростью света, преодолевают только за 3-4 ч!

Первым «сватом», который свел космическую технику с криогеникой, был ее основоположник Константин Эдуардович Циолковский. В 1903 г. он предложил реактивный двигатель для космической ракеты, в котором топливом служил бы жидкий водород, а окислителем — жидкий кислород.

Константин Эдуардович Циолковский

На рисунке представлена схема такой ракеты, взятая из работы Циолковского. На рисунке показаны даже насосы, предназначенные для подачи жидких кислорода и водорода в камеру сгорания. Чтобы почувствовать, насколько далеко вперед смотрел Циолковский, нужно вспомнить, что в это время даже жидкий кислород был экзотическим продуктом, о котором можно было только прочесть заметку в журнале. Его количество во всем мире измерялось литрами, а Циолковский писал о баках ракеты, в которые нужно было налить тонны жидкого кислорода! Он также деловито рассуждал не только о жидкокислородных и жидководородных баках на борту ракеты, но и о насосах и камере сгорания! 

Схема ракеты на жидких водороде (топливо) и кислороде (окислитель) из книги Циолковского

Что касается водорода, то тогда ученый мир еще не пришел в себя от восторга после первого ожижения водорода Джеймсом Дьюаром. Общий запас его во всем мире мог поместиться в одном небольшом сосуде. Реализовать полностью все эти идеи Циолковского смогли только через 60 лет. Но характерно, что при совершенно несоизмеримой разнице между простой картинкой Циолковского и сложнейшей конструкцией современной жидководородной ступени ракеты-носителя принципиальная ее схема точно та же.

Путь к ней был, естественно, не таким простым; от «сватовства» до «свадьбы» было очень далеко.  Циолковский это понимал очень хорошо.

«...Я нисколько не обманываюсь и отлично знаю, что не только не решаю вопроса во всей полноте, но что остается поработать над ним в 1000 раз больше, чем я работал. Моя цель — возбудить к нему интерес, указав на великое значение его в будущем и на возможность его решения», — писал Циолковский.

И эта цель была достигнута, хотя ему и не суждено было дожить до начала эры практического освоения космоса. Что касается жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), где окислителем был жидкий кислород, то эта идея не только была подхвачена, но и впервые реализована еще при его жизни (Циолковский умер в 1935 г.).

Основоположник ракетной техники в США Роберт Хатчингс Годдард писал в 1920 г.: «Было бы крайне желательно применить водород и кислород в жидкой и твердой фазе соответственно. Причина в том, что термическая энергия водорода и кислорода даже в этих условиях (При низких начальных температурах, соответствующих конденсированному состоянию) почти в 3 раза больше энергии бездымного пороха». Как видно из этой цитаты, Годдард пошел еще дальше в «криогенизации» ракетных окислителей, чем Циолковский, предложив твердый кислород вместо жидкого.

Герман Оберт, сыгравший в Германии ту же роль, что Годдард в США, тоже рассматривал в 1923 г. вариант водородно-кислородного двигателя на базе их хранения на борту ракеты в жидком виде.

Проектирование первого в нашей стране ракетного двигателя ОР-2 на жидком кислороде было начато в начале 1931 г. под руководством Фридриха Артуровича Цандера. Испытания и доводка двигателя начались 18 марта 1933 г., но успешно были закончены и была получена расчетная тяга уже после смерти Цандера (28 марта 1933 г.).

Дальнейшая работа в направлении создания ракетных двигателей с использованием криоагентов связана в нашей стране с образованием Государственного института ракетного движения при поддержке Михаила Николаевича Тухачевского, а затем Ракетного научно-исследовательского института. Интересная и драматическая история ракетной техники описана во многих статьях и книгах. Ее «криогенная» часть, относящаяся к двигателям, развивалась опережающими темпами. В настоящее время идея Циолковского реализована полностью. Вслед за жидким кислородом стал использоваться и жидкий водород, заменивший в качестве топлива керосин и другие аналогичные виды топлив. На нем работали две последние ступени американской ракеты-носителя «Сатурн», выводившей на орбиту астронавтов, летевших к Луне, так же как и двигатели нашего «Бурана».

Твердый водород, о котором писал Годдард (как и твердый кислород), пока не применяется напрямую в ракетных двигателях для космоса; однако часть этой идеи уже реализуется. Дело в том, что заполнять баки ракеты твердыми водородом и кислородом и подавать их в камеру сгорания очень трудно (если не невозможно). Однако существует и другой, компромиссный путь. Можно использовать смесь жидкого и твердого топлива (и соответственно окислителя), так называемую «шугу» («Шуга», как объясняется в словаре Даля, «первый осенний лед, который сплошь несется по реке с обмерзлыми комьями снега, незадолго до ледостава; мелкий лед, каша после вешнего ледолома»). Такая «каша» из кислорода или водорода с 20-30% твердой фазы обладает всеми достоинствами жидкого криоагента (ее можно перекачивать насосами и транспортировать по изолированным трубопроводам), но на 10-15% плотнее. Поэтому при тех же вместимостях баков в них можно поместить больше топлива и окислителя. Кроме этого, теплопритоки через изоляцию баков приводят не к испарению жидкости, а только к плавлению части льда; жидкость в баках может храниться дольше.

Не допуская преувеличения, можно утверждать, что связь космической техники с криогеникой, начатая Циолковским, помогла человеку не только выйти в космос, но и развить, как часто бывает, другие возможности. Одно из них — использование жидкого метана, а затем и жидкого водорода в качестве топлива в авиационных и автомобильных двигателях. Опытный самолет ТУ-155 уже летал на жидком водороде.

ТУ-155 — первый самолет на жидком водороде

Но это только первые шаги. Для новых межконтинентальных сверхзвуковых лайнеров это топливо дает еще больше возможностей. По самым скромным подсчетам, масса самолета во время полета при переходе на жидкий водород снизится при прочих равных условиях примерно на 25%, а стоимость — примерно на 30%. Кроме этого, продукт сгорания (а не продукты, как у керосина) будет экологически чистым.