В.А. Коноваленко
Жюль Верн и космос
Фантастический роман Жюль Верна «Из пушки на Луну» появился, когда Костя
Циолковский, будущий общепризнанный основоположник современной космонавтики,
учился в начальной школе. Жюль Верн представил свой проект – послать на
Луну исполинский пушечный снаряд-вагон с живыми людьми – в столь правдоподобном
виде, что у большинства читателей, наверное, возникал вопрос: почему нет?
В своё время известный популяризатор Я. И. Перельман очень подробно «обсчитал»
эту идею, доходчиво вычислил космические скорости и показал, что принципиально
это возможно. Правда, оказалось, что для обеспечения первой космической
скорости (8 км/с) даже при десятикратной перегрузке экипажа потребуется
пушка длиной от Бологого до Москвы. Желательно также установить её под
углом ~300 к
горизонту, чтобы её дуло оказалось в ближнем космосе. Потому-то космонавтика
с лёгкой руки Циолковского и пошла по ракетному пути. Пошла успешно, но...
Коэффициент полезности ракетных пусков (процентное отношение полезного
груза к стартовой массе) колеблется от 2,2 % для ракет лёгкого класса до
3,1 % для тяжёлых ракет. Энергетически процесс выглядит ещё хуже: ведь
сила тяги ракетного двигателя, его удельный импульс пропорциональны первой
степени скорости реактивной струи, а уносимая этой струёй энергия – квадрату
той же скорости. Более того, согласно законам сохранения энергии и импульса
распределение энергии взаимодействия между двумя телами (ракетой m1
и реактивной струёй m2)
обратно* их массам: E1
/Eоб=
m2
/(m1+
m2) и
E2/Eоб=
m1/(m1+
m2).
То есть самый не экономичный ракетный двигатель – фотонный, чтобы там не
писали фантасты! Не исключено, что Жюль Верн, очень основательно обеспечивающий
свои фантазии, знающий, как на необитаемом острове получить нитроглицерин,
знал и о ракетах, но всё-таки предпочёл пушку...
Понятно, что разрабатываемые сейчас во всех «космических» странах системы
«самолётного» старта в разы повысят коэффициент полезности космических
пусков и, скорее всего, будут применяться и дальше для стартов с экипажами
– ведь даже 80 секунд с 10g при пушечном пуске не простое дело. Совсем
иначе обстоят дела при запусках безлюдных космических аппаратов: многие
из них испытываются даже при 500g, а уж 100g вообще не вопрос! Но при таких
ускорениях для первой космической нужен «ствол» длиной менее 8 км, то есть
под углом 300
на вершину Эльбруса. А если пушка электромагнитная (например, пушка Гаусса),
то это даже не ствол, а система катушек. Панорама Эльбруса будет подпорчена,
но зато никаких гептилов и керосинов!
А главное – почти вся энергия
достаётся космическому аппарату. И затраты минимальные, особенно, для пушки
из сверхпроводящих катушек! Такой стартовой пушкой может быть не только
пушка Гаусса, но и рельсотрон** – электромагнитный ускоритель масс, разгоняющий
токопроводящий снаряд вдоль двух металлических направляющих с помощью силы
Лоренца.
* Легко видеть, что Eоб
= E1 + E2
= Р12/2m1
+ Р22/2m2,
но
Р1 =
Р2 = Р,
тогда Eоб =
Р2/2m1
+ Р2/2m2
= Р2(m1 + m2)/2m1m2,
=> Р2/2 =
Eоб m1m2/(m1
+ m2), соответственно E1
= Eоб
m2/(m1 +
m2) и E2
= Eоб m1/(m1
+ m2)
** Рельсотрон состоит из двух параллельных электродов, называемых
рельсами, подключённых к источнику мощного постоянного тока. Пушку Гаусса
и рельсотрон очень часто путают. Причина тому сходная природа работы этих
устройств, но они используют разные подходы и физические законы для разгона
снаряда. В рельсотроне использована сила Лоренца, а в пушке Гаусса
– снаряд из ферромагнетика разгоняется по диэлектрической трубке
через ряд соленоидов, при включении образующих магнитное поле, которое
«проталкивает» снаряд из ферромагнетика вперед. Выбор пускового устройства
определится конструкцией зонда и защищённостью его аппаратуры от магнитного
поля.
В оглавление