Как топливо определяет границы космических амбиций человечества

Москва. 12 апреля 1961 года был совершен первый в истории человечества космический полет. Юрий Гагарин облетел Землю на борту корабля «Восток-1», став первым человеком, увидевшим нашу планету из космоса. Этот исторический полет длился 106 минут. Спустя шесть десятилетий, 12 апреля по-прежнему символизирует начало новой эры в освоении космоса, превратив изучение Вселенной в одну из самых захватывающих и масштабных целей.

Мечта не стала бы реальностью без верных помощников людей – космических кораблей. Для того, чтобы преодолеть земное притяжение и развить нужную скорость, ракетам необходимы огромные запасы топлива и окислителя. В День космонавтики Агентство нефтегазовой информации рассказывает о том, какое именно топливо используют для запусков космических аппаратов и какое количество горючего требуется для путешествий на околоземную орбиту, Луну или Марс.

Топливо российских ракет

Современные российские ракеты-носители чаще всего заправляются смесью керосина и жидкого кислорода – комбинацией, оптимальной по своим физико-химическим и экологическим свойствам.

Чтобы достичь первой космической скорости и вырваться из гравитационных объятий Земли, требуется огромное количество углеводородного топлива. Инженеры добавляют в конструкцию ракеты дополнительные «баки» – ступени, которые на старте составляют львиную долю ее веса. В полете, по мере опустошения, они отцепляются и сгорают в атмосфере.

В итоге, на орбиту попадает лишь мизерная часть первоначальной массы ракеты. Для сравнения: бензин в баке автомобиля – это значительная часть от общей массы машины, а в ракете топливо – это большая часть ее самой.

Например, «Союз-ФГ» поглощает во время полета 276 800 тонн топлива (кислород-керосин), при этом масса полезного груза составляет лишь 7400 тонн.

Ракета-носитель «Энергия» при общей массе 2400 тонн использует для перемещений около 2000 тонн кислород-водорода и кислород-керосина и может доставить в космос до 105 тонн полезного груза.

Ракета-носитель «Зенит-2S» - работает на жидком кислороде и керосине с продуктами сгорания - водой и углекислым газом. Благодаря этому отличается экологической чистотой. При общей массе 470 000 тонн для полета ей требуется около 442 000 тонн кислород-керосина с доставкой полезного груза до 7300 тонн.

Одна из последних разработок трехступенчатая ракета-носитель тяжелого класса «Ангара-А5». С общей массой до 773 000 тонн она может доставить до 24 500 тонн полезного груза, использовав при этом свыше 630 000 тонн кислород-керосина.

Ракетный «флот» США

На фотографии наглядно показан расход горючего различными ракетами – Сатурн-5, Шаттл, Falcon Heavy и новой Space Launch System (SLS). Виды топлива обозначены разным цветом: красный – керосин; желтый – жидкий водород; синий – жидкий кислород.

Одной из самых «прожорливых» считается мощная - Сатурн-5. Она сжигает в среднем 2 076 500 кг топлива за полет и может поднять 140 тыс. кг груза на низкую орбиту – или отправить 48,5 тыс. кг на Луну.

Шаттл использует для отрыва от земли комбинацию жидкотопливных главных двигателей и твердотопливных ускорителей. Он потребляет в среднем 1 735 600 килограммов горючего.

Ракете Falcon Heavy требуется в среднем 411 тыс. кг топлива, чтобы поднять на орбиту 64 тыс. кг полезного груза.

И, наконец, Space Launch System (SLS). 77-тонная версия ракеты может нести примерно 70 тыс. кг груза и на 10% мощнее Сатурна-5. 143-тонная версия сможет поднять уже 130 тыс. кг груза и будет превосходить своего собрата по мощности уже на 20%.

Сила притяжения

В основе танца мощи и грации космических кораблей лежит третий закон Ньютона 1687 года. Но истинным ключом к разгадке тайны космических странствий, стала формула Циолковского, явленная миру в 1903 году.

В ней отражены четыре переменных (слева направо): конечная скорость летательного аппарата, удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива), начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка, конструкция и топливо) и его конечная масса (полезная нагрузка и конструкция).

Именно гравитационные потери определяют границы космических амбиций, указывают, куда человечество может дотянуться. Сегодня горизонты странствий не так широки. С Земли можно достичь ее орбиты, с нее - отправиться на Луну, Марс или в межлунное пространство. Возможны и другие комбинации, но с учетом нынешнего уровня развития технологий эти направления кажутся наиболее вероятными.

Представленные ниже значения не учитывают такие факторы, как сопротивление атмосферы. Но они достаточно близки к истине и помогут определить цену, которую приходится платить за возможность «прикоснуться к звездам». Это своего рода космическая дань, плата за право покинуть колыбель человечества и устремиться к неизведанному.

Как ни парадоксально, но преодоление скромных 400 км, отделяющих Землю от орбиты, оказывается самым сложным этапом космического путешествия. Этот рывок поглощает львиную долю ресурсов. Даже полет к Луне обходится дешевле. Причина кроется в неумолимых объятиях гравитации родного «дома».

И в этом нелегком пути полагаться приходится на ракеты с химическими двигателями. Пусть на горизонте и маячат перспективные разработки, но в реальности человечество уже более шести десятилетий использует проверенные временем, традиционные двигатели. Ниже представлен обзор некоторых видов ракетного топлива.

В царстве ракетных двигателей кислородно-водородная пара по-прежнему остается одной из самых эффективных. Вот процентное соотношение топлива от общей массы ракеты, необходимое для ее попадания на орбиту Земли.

Не стоит недооценивать оставшиеся 15% массы ракеты. Это не пустой вес, а жизненно важные элементы: баки, подающие топливо к двигателям; прочный корпус, выдерживающий пекло стартовой площадки, сверхзвуковой натиск атмосферы и леденящий холод безвоздушного пространства. Это система управления, направляющая ракету к звездам. И, наконец, спасительная капсула для хрупких тел космонавтов, обеспечивающая их кислородом, нейтрализующая углекислый газ, защищающая от жара и холода, дающая им возможность вернуться на родную планету. Люди – не единственная ценная ноша ракеты. С ними в путь отправляется специальное оборудование, предназначенное для проведения экспериментов, ведь путешествие в космос преследует, прежде всего, научные цели.

Сравним ракеты с привычными нам транспортными средствами.

Для воздушной стихии требуются филигранные решения, легкие конструкции из алюминия, магния, титана, нитей композитных материалов. 60-70% их веса – это сплав транспортного средства и полезной нагрузки, позволяющий совершать безопасные и эффективные полеты. А ракеты, где топливо занимает 85% объема, балансируют на пределе инженерных способностей. Они – вечный вызов, требующий непрестанного совершенствования, для возможности их использовать.

Последние полвека ученые увлеченно разрабатывают ядерные и термоядерные ракетные двигатели, надеясь достичь той же тяги при меньшем расходе топлива и открыть дорогу для дальних космических экспедиций. Однако, ядерные реакции сложны в реализации и контроле. К тому же, добыча необходимого «горючего» для таких двигателей – задача не из легких.

Для триумфальной высадки человека на Луну использовали криогенное топливо – кислород и водород. Эта мощная комбинация позволила достичь второй космической скорости и прорваться к Луне.

А для путешествия марсохода «Персеверанс» к красной планете потребовалась сложная, многоступенчатая система и несколько видов топлива.

Одной из многообещающих ядерных реакций для межпланетных путешествий является превращение редких изотопов водорода и гелия (которыми надувают воздушные шары) в другой изотоп гелия и протон. На Земле этого «лунного» гелия почти нет, зато на Луне его в изобилии. Поэтому уже сейчас разрабатываются проекты лунных баз, где межпланетные корабли смогут заправляться перед долгим полетом.

Для межзвездных путешествий перспективно выглядит технология солнечного паруса – тонкого зеркала огромной площади (у существующих прототипов она достигает 15–20 квадратных метров). Космический аппарат раскрывает парус на орбите, и свет Солнца (или других звезд) отражается от него, подталкивая корабль вперед. В отличие от ядерных звездолетов, прототипы солнечных парусников уже побывали в космосе и показали обнадеживающие результаты.

Пока большинство проектов космического транспорта в разработке или на стадии теории, углеводороды продолжат быть основным топливом для освоения внеземного пространства, оставаясь основным двигателем прогресса в космической гонке.

Источники: Роскосмос, научная электронная библиотека, национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства.