полезную работу.
Правда, при этом температура может быть очень значительной, и это создаёт новые технические задачи, но при скоростях столкновения до 10–15 км/с существенных проблем не будет. При удельной энергии водорода 50-100 МДж/кг температура будет на уровне 4–6 тысяч градусов, но она будет действовать на стенки сопла кратковременно, порядка 10 мкс, с перерывами до 1 мс, так что средняя тепловая нагрузка на стенки будет менее 1000К.
Скорее, основной проблемой будут потери энергии на атомизацию и ионизацию газа, так что в определённом интервале скоростей более 50 % тепловой энергии газа будет недоступно для использования, но это снизит полный передаваемый импульс всего на 15–20 %.
В момент столкновения газ отлично работает и без оболочки, даже, как мы видели, на порядки лучше. Правда, до этого момента оболочка как бы всё таки нужна, чтобы газ мог долететь до цели. Но это не обязательно должна быть материальная оболочка. А, например, силы химических связей или Ван-дер-Ваальса. То есть, мы будем стрелять не воздушным шариком, а кусочком обычной химической взрывчатки, или шариком из замороженного газа, который за 20 мкс до подлёта к цели испаряется или взрывается. Это можно осуществить десятком разных способов, на которых мы сейчас останавливаться не будем (орто-пара водород, химические реакции, электрический или лазерный импульс, или столкновение с другими телами, полем, газом, порошком или струёй жидкости — есть множество способов испарить мишень, летящую со скоростью 10 километров в секунду).
В результате, непосредственно в створе сопла мы получим струю газа, направленную внутрь него со скоростью более 10 км/с. При этом начальная температура газа до сжатия может быть небольшой, 1–2 тысячи градусов.
В зависимости от скорости столкновения можно использовать разные рабочие тела. Проще всего взять воду, аммиак, гидразин или обычную химическую взрывчатку, но образующиеся газы с большой молекулярной массой будут хорошо работать только при скоростях до 5–6 км/с, и температуре 5–7 тысяч градусов. При большей скорости они будут сильно нагреваться, и при этом много энергии уйдёт на атомизацию и ионизацию.
Водород является лучшим рабочим телом при скорости столкновения до 10–12 км/с, и температуре до 5000К. Но в интервале температур 5000-7000К он поглощает очень много энергии на атомизацию, а в интервале 12–20 тысяч на ионизацию. Это, с одной стороны, хорошо, так как рост температуры почти прекращается, несмотря на увеличение начальной скорости газа. Даже при скорости столкновения 25 км/с и тепловой энергии 320 МДж/кг атомарный водород будет иметь температуру только 10000К (так как более 200 МДж/кг будет затрачено на атомизацию).
С другой стороны, из-за большой скрытой теплоёмкости снижается способность газа совершать работу при расширении, и скорость истечения газа из сопла может быть вдвое меньше начальной. Например, при начальной скорости входа водорода в сопло 12 км/с, температура достигнет 5000К, и обратно он вылетит (после 10-кратного расширения) со скоростью около 8 км/с, т. е. сохранив только 65 % начальной скорости; при начальной скорости 25 км/с, температура достигнет 10.000К, а скорость истечения 13 км/с, то есть всего 52 % начальной скорости.
При этом общий переданный импульс снижается не так значительно (потому что свой начальный импульс газ в любом случае передаёт цели на 100 %), так что общая потеря импульса, по сравнению с "идеально упругим" ударом, составит 18 % в первом случае, и 24 % во втором. В среднем можно считать, что даже при самом "плохом" температурном режиме переданный импульс будет составлять 75–80 % от максимально возможного.
При этом, благодаря большому расходу энергии на атомизацию, даже при скорости 25 км/с водород не нагреется до температуры ионизации.
При начальной скорости струи водорода от 30 до 50 км/с рост температуры опять замедлится из-за ионизации, а при 60 км/с образуется полностью ионизованная плазма с температурой более 20000К. Далее температура начнёт расти относительно быстро, как для идеального газа, и при скорости 100 км/с достигнет уже 140.000К.
Таким образом, водород вполне можно использовать в обычном вольфрамовом сопле при скорости столкновения струи и сопла примерно до 25 км/с. При более высокой скорости (и температуре более 10.000К) лучше использовать магнитную изоляцию сопла, или полностью магнитное сопло.
Гелий в данном случае я считаю бесперспективным. Его очень трудно хранить. Теплоёмкость в 4 раза меньше чем у водорода, и только в 1,5 раза больше, чем у водяного пара, так что уже при скорости 12 км/с температура превысит 20000К, а при 15 км/с достигнет 30000К, и начнётся значительная ионизация. Водород при такой скорости имел бы температуру всего 7000К.
Главное преимущество гелия — способность быстро отдавать энергию в виде механической работы при расширении (до 20000К это почти идеальный одноатомный газ). Он, действительно, может дать более высокую скорость истечения при той же начальной скорости входа в сопло: при начальной скорости 12 км/с (когда водород, после 10-кратного расширения, даёт 8 км/с), гелий даст 10,5 км/с, и коэффициент передачи импульса 94 %, (против 82 % для водорода, то есть потери импульса втрое меньше);
Действительно, эффективность передачи импульса выше. Но за это увеличение общего передаваемого импульса на 14 %, приходится платить повышением температуры в 4 раза, что мне кажется неоправданным. Такой же по величине импульс на килограмм рабочего тела можно получить с помощью водорода, если начальную скорость повысить всего на 2 км/с, но температура при этом будет в 3 раза ниже, чем для гелия.
Есть несколько других специфических вариантов рабочего тела; например, литий легко ионизируется, а после этого в интервале температур 10000-30000К ведёт себя как идеальный (ионный) газ, не хуже гелия. Для низкотемпературных плазменных двигателей литий или гидрид лития может быт приемлемым вариантом получения лёгкой не слишком горячей плазмы, уже при начальной скорости менее 10 км/с и температуре около 10000К. При более высоких температурах можно использовать гидрид бериллия.
Возможны также комбинированные варианты снарядов из нескольких веществ, например, замороженный водород в литиевой оболочке, армированный тонкими литиевыми проволочками. Такой снаряд, при наличии теплоизоляции, может лететь несколько минут, на расстояние 5-10 тысяч километров. Затем, непосредственно возле сопла, он влетает в высокочастотное электромагнитное поле, и проволочки взрываются, испаряя водород и нагревая его до 1–2 тысяч градусов. Затем газ сжимается и нагревается за счёт запаса кинетической энергии до 10–20 тысяч градусов, ионизируется, и далее частично может быть направлен в МГД-генератор, снабжающий энергией бортовые устройства, в том числе генераторы того самого высокочастотного поля, которое нагревает снаряды.
Во внешних областях Солнечной системы, при лучевой температуре ниже 50К, снаряды из замороженного водорода (в отражающей оболочке) могут лететь неограниченно долго, но для более горячих областей, если надо стрелять на миллионы километров, хорошим вариантом могут быть гидриды лития или бериллия, которые дают лёгкую плазму с хорошими
