Алексей Иванович Морозов , Александр Павлович Шубин - Космические электрореактивные двигатели

противоборТаблица 1
Параметры ракет-носителей «Восток» и «Сатурн-5»

Тип ,ракетыносителя

«Восток»
«Сатурн-5»

Стартовая
масса, т

Стартовая
тяга, т

Удельный
импульс 1
в вакууме,
с

Суммарная
мощность
двигателей,
МВт

400
2760—2900

510
3450

314
290

15 000
95 000

1 Т. е. отношение скорости истечения реактивной струи к уско­
рению силы тяжести Земли (9,8 м/с2). Удельный импульс — очень
важный показатель реактивного двигателя: он равен времени, в те­
чение которого истекающая из сопла двигателя грамм-масса веще­
ства создает грамм-силу реактивной тяги. Чем больше это время,
тем меньше «топлива» нужно израсходовать для создания необхо­
димой силы тяги. Приведенные значения удельного импульса отно­
сятся к кислородно-керосинному топливу, которое используется в
двигателях первой ступени.

4

ство: мощь ракеты-носителя противопоставлена посто­
янно действующей силе земного тяготения.
Но вот КА вместе с последней ступенью ракеты-но­
сителя, набрав нужную скорость, выходит на заданную
орбиту. И сразу все стихает. Начинается «пассивный»
этап, когда система движется в условиях невесомости
по инерции. Если мы захотим теперь изменить пара­
метры орбиты, то для этого совсем не нужны мощные
двигатели с большой тягой. КА никуда не падает! Те­
перь достаточно подействовать на многотонный КА си­
лой, измеряемой граммами или даже долями грамма,
чтобы он начал медленно, но неуклонно совершать тре­
буемый маневр '. Для этого достаточно лишь превзойти
величину помех, испытываемых КА за счет аэродинами­
ческого сопротивления при движении в разреженной
атмосфере, давления солнечного света, притяжения Лу­
ны и Солнца и т. п. Для спутника-шара диаметром
около 2 м на высоте 200 км эти помехи составляют
величину порядка 5 г, а на высоте 1000 км — величину
менее 0,1 г. Видно, как резко отличаются необходимые
величины тяги до и после выведения на орбиту.
Формула Циолковского. На первый взгляд может по­
казаться, что малая величина тяги, необходимая на
космической орбите, вообще снимает проблему совер­
шенствования двигателей. Однако это не так. Малая
величина тяги реализуется в условиях очень длитель­
ной работы, измеряемой иногда годами12, в отличие от
нескольких десятков минут работы двигателей ракетыносителя. В результате суммарный импульс, вырабаты­
ваемый двигательной установкой КА, — произведение
действующей силы на время работы двигательной уста­
новки — и масса израсходованного двигателями рабо­
чего вещества могут быть весьма большими. Основной
причиной появления ЭРД была необходимость получить
большую скорость истечения реактивной струи из дви­
гателя. Поясним, зачем это нужно.
Реактивная сила тяги F, получаемая при истечении
в единицу времени массы т со скоростью и, равна ши.
1 Разумеется, чем меньше эта сила, тем дольше длится маневр.
Реально время маневра не бывает произвольным. Всегда существу­
ют какие-либо ограничения на длительность маневра, но это уже
другой вопрос.
2 Такая длительность работы необходима, например, для под­
держания требуемых параметров орбиты долгоживущего спутника.

5

Ускорение а, приобретаемое КА массой ц ё результате
этого, составит а = ти/ц. Следовательно, одно и то же
ускорение можно сообщить как при большом расходе т
и малой скорости истечения и, так и наоборот: при ма­
лом расходе, но большой скорости истечения. Малые
скорости истечения невыгодны, поскольку в этом слу­
чае необходимо иметь на борту большой запас рабоче­
го тела, так что доля полезной нагрузки в общем стар­
товом весе будет малой.
Этим рассуждениям можно придать более убеди­
тельную форму, если воспользоваться фундаментальной
формулой Циолковского. Предполагая, что скорость ис­
течения реактивной струи и постоянна и внешние силы
отсутствуют, К. Э. Циолковский вывел следующую за­
висимость конечной массы ракеты цк от начальной мас­
сы ц0, скорости истечения струи и достигнутой КА ско­
рости v;
у
go

Формулу Циолковского, выведенную для предельно
идеализированных условий, можно применять к любо­
му полету (например, выведению КА на орбиту Земли
или перелету Земля—Марс), если под v понимать не­
которую условную величину, называемую характери­
стической скоростью. Оценки характеристических --">