термодинамическими свойствами при умеренных температурах. Правда, гидрид лития труднее испарить, но можно поступить по другому — насыпать его в оболочку в виде наноразмерного порошка, который распыляется в сопле, и затем испаряется при нагреве в струе встречного газа.
В общем, для относительных скоростей ракеты и снаряда от 10 до 100 км/с можно придумать множество технически не сложных и эффективных вариантов. При этом столкновение газа с соплом не будет "идеально упругим", в основном с потерей 15–20 % от "идеального" значения импульса, но это тоже неплохо. При начальной скорости снаряда относительно ракеты 10 км/с переданный импульс будет 17 км/с, при 25 км/с — до 40 км/с.
При относительной скорости порядка 100 км/с, и использовании магнитных сопел с большими коэффициентами расширения, возможно, удастся получить более высокий коэффициент передачи импульса, на уровне 90–95 % или более от "идеально упругого", но это требует отдельного исследования.
((Все описанные выше разновидности двигателей с внешним топливом и полностью внешним рабочим телом — твердотельные, газовые, магнитно-плазменные — относятся к типу "упруго-кинетических", или Тип 1 кинетических двигателей, по используемой далее классификации)).
4. Газовый термо-кинетический двигатель. Как обогнать снаряд…
Сначала всё-таки сравним эффективность того, что у нас получилось, с исходным "мячиковым" вариантом. (С химическими ракетами, и даже тепловыми водородными двигателями, сравнивать не будем, они до 100 км/с не дотянут даже с помощью чуда).
Пусть у нас есть ракета, которая летит со скоростью 100 км/с, и пушка, которая может выпускать снаряды со скоростью более 100 км/с. (кажется очевидным, что разогнать ракету снарядами, которые её не догоняют, невозможно, не так ли).
"Мячиковый" упруго-кинетический двигатель, при скорости мячиков 102 км/с, сможет передавать ракете всё тот же удельный импульс 4 км/с. Это не так плохо, на разгон 1 кг груза от 0 до 100 км/с пойдёт всего 25 кг мячиков. При скорости 100 км/с КПД передачи кинетической энергии упадёт до 8 %, но его среднее значение за весь цикл разгона составит 12 %, что тоже не плохо.
Сравним с газовым упруго-кинетическим двигателем, при постоянной относительной скорости снаряда и ракеты 12 км/с. Передаваемый удельный импульс 20 км/с, на разгон 1 кг груза от 0 до 100 км/с надо 5 кг снарядов, то есть в 5 раз меньше. Правда, их скорость на 10 км/с больше, и соответственно удельная энергия тоже больше, в среднем на 30 %, но даже при этом КПД использования энергии пушки будет в 3,5 раза больше, на уровне 40 %. (Если к тому же менять скорость снарядов так, чтобы она всегда была ровно вдвое больше скорости ракеты, то КПД может приближаться к 100 %, но тогда в конце потребуется почти вдвое большая скорость снаряда, и температура будет очень быстро расти. Мне кажется, что лучше вариант с постоянной относительной скоростью снаряда и ракеты, но эта скорость должна быть настолько большой, насколько позволяет двигатель).
В общем, чем быстрее может двигаться наш "мячик" относительно ракеты, тем лучше. 10 км/с лучше, чем 2; хотя даже при относительной скорости в 1 км/с тоже можно разогнаться до 50 км/с, при приемлемых затратах внешнего рабочего тела до 30 кг на 1 кг груза.
Нетрудно посчитать, что если мы (от жадности) поставим условие, что КПД передачи кинетической энергии от снаряда ракете должен быть не менее 10 % энергии снаряда, то нам достаточно иметь скорость снарядов всего на 3 % больше текущей скорости ракеты: если ракета движется со скоростью 300 км/с, снаряду (то есть газу) достаточно иметь начальную скорость 310 км/с; после столкновения и выхода газа обратно из сопла скорость уменьшится до 293 км/с, и ракете будет передано 5100 МДж из 5125,5 потерянных газом, (и только 25,5 МДж останется в виде тепловой энергии самого газа, в результате чего его температура после выхода из сопла составит около 2000К, при начальной температуре в момент столкновения 4000К). При этом начальная кинетическая энергия снаряда была 48050 МДж/кг, то есть ракете передано 10,6 % энергии снаряда.
Аналогичное соотношение получится при любой скорости ракеты и снаряда, если разница их скоростей не менее 3 %. Таким образом, если мы имеем пушку, выпускающую снаряды со скоростью 100 км/с, то сможем эффективно разогнать ракету до 97 км/с. Если у нас будет пушка с начальной скоростью снаряда 3000 км/с, то ракету можно разогнать до 2900.
…но что всё-таки делать, если настолько хорошей пушки у нас нет…
5. Как же всё-таки обогнать снаряд. Двигатель с дырочкой спереди
((Второй тип кинетического двигателя на внешнем топливе, который мы здесь называем "термо-кинетический", в отличие от ранее рассмотренного "упруго-кинетического", сопло которого просто отражало назад струю газообразного рабочего тела, прилетающую извне с большой скоростью)).
Поставим конкретную задачу: у нас есть пушка с начальной скоростью снаряда 20 км/с, и мы хотим с её помощью разогнать ракету до 60 км/с.
Кто-то скажет, невозможно; и будет прав — если не использовать внутренний запас вещества самой ракеты, это сделать нельзя (на самом деле оказывается, что всё-таки можно, как мы выясним в главе 4, когда будем рассматривать третий тип термо-кинетических двигателей, "с дырочками сбоку"; но они устроены сложнее, и удельный импульс ТКД третьего типа будет совсем по-другому зависеть от скорости ракеты, чем у второго типа. Здесь мы рассмотрим более простой тип термо-кинетического двигателя, с затратой части рабочего тела из запаса, находящегося на борту ракеты).
До сих пор мы вообще не затрачивали топливо самой ракеты, разгоняя её только за счёт импульса внешних тел, при этом масса ракеты вообще не изменялась. Но теперь придётся тратить топливо из бортовых запасов.
Теперь нам потребуется 2 пушки: одна в самом начале траектории разгона, вторая в самом конце.
Вначале, как и раньше, разгоняем ракету до 20 км/с, с помощью первой пушки, без затрат топлива.
А потом начинаем стрелять из второй пушки навстречу ракете.
На первый взгляд, это бессмыслица: так мы ракету, пожалуй, сможем только затормозить. (Правда, если подумать, какой-то смысл в этом есть; надо же межзвёздным экспедициям как-то останавливаться возле альфы центавры, звездолёт без тормоза — это плохо. Но нам пока всё-таки нужен не тормоз, а двигатель).
Поэтому, снаряды… не будут сталкиваться с ракетой. Вообще: ни в каком виде, ни в твёрдом, ни в газообразном.
Они будут свободно пролетать сквозь всю ракету и сопло через дырочку спереди. (В случае, если сопло состоит из магнитного поля, непроводящее тело или не ионизированный нейтральный газ вообще свободно пролетит сквозь него).
А вот внутри сопла, снаряд таки сталкивается, со специальной мишенью, и всё это превращается в горячий газ, который выходит из сопла назад, увеличивая свою скорость, и соответственно толкает ракету вперёд.
Перед столкновением снаряд и мишень (по
