Чаму мы можам перасоўвацца па паверхні Зямлі? Пытанне здаецца простым, а адказаць на яго правільна, мабыць, зможа не кожны. Не ўсе пешаходы ведаюць, што, робячы крок, яны нагой адштурхваюць зямны шар, імкнучыся адкінуць яго ад сябе. Вядома, зямны шар ад штуршка нагою чалавека не змяняе свайго становішча - у яго для гэтага занадта вялікая маса. Але сам ён у адпаведнасці з трэцім законам Ньютана дзейнічае на крочыў чалавека з такой жа сілай, з якой чалавек дзейнічае на яго. Бо дзеянне роўна процідзеянню.

Маса чалавека па параўнанні з масай зямнога шара бясконца малая, таму сіла процідзеяння з боку зямнога шара аказваецца дастатковай, каб адкінуць чалавека на некаторы адлегласць. Такім чынам, кожны крок чалавека па Зямлі ёсць вынік дзеяння сілы адштурхвання з боку зямнога шара. Для таго каб перасоўвацца, цела павінна мець якую-небудзь апору ў навакольным асяроддзі, ад якой яно магло б адштурхоўвацца. Сказанае справядліва і для ўсякага роду механізмаў. Чаму рухаецца аўтамабіль? Таму што ён вядучымі коламі адкідвае ад сябе зямны шар і ў выніку сам падвяргаецца дзеянню сілы з боку Зямлі. Тое ж можна сказаць і аб руху па вадзе. Марскія суда рухаюцца таму, што іх вяслярныя шрубы адкідаюць з некаторай хуткасцю масу вады ў бок, процілеглы руху судна. Чым больш будзе хуткасць адкідаецца вады і чым больш яе маса, тым больш будзе сіла, якая дзейнічае на судна.

Па той жа самай прычыне перасоўваюцца па паветры шрубавыя самалёты. Верціцца шруба самалёта - прапелер адкідвае ад сябе масу паветра назад, дзякуючы чаму ўзнікае сіла, штурхае самалёт у процілеглы бок, г. зн. наперад. Такім чынам, рух па зямлі, вадзе і паветры адбываецца з-за таго, што гэтыя асяроддзя служаць апорай. У космасе няма паветра і няма нічога іншага, што магло б служыць матэрыяльнай апорай для які рухаецца апарата. Усе рухавікі, якія ў цяперашні час выкарыстоўваюцца ў транспартных машынах, не прыдатныя для працы ў касмічнай беспаветранай прасторы.

Рухавікі, якія ўжываюцца ў наземных машынах, з'яўляюцца рухавікамі непрамы рэакцыі. Што азначае такая назва? Уявіце сабе, што вы стаіце на санках і ў руках у вас цяжкі прадмет. Вы размахвайцеся і з сілай кідаеце прадмет у кірунку, супадальным з кірункам палазоў санак. Што адбудзецца з санкамі? Яны стануць рухацца і тым хутчэй, чым з большай сілай вы адкінуць прадмет. Чым выклікана рух санак? Рэакцыяй кінутага прадмета. Рух санак выклікаецца прамой рэакцыяй дзеянні. Ці можна лічыць дзеянне рухавіка аўтамабіля прамой рэакцыяй? Не, нельга. Чаму рухаецца па дарозе аўтамабіль? Вядома, не таму, што з выхлапной трубы рухавіка выкідваюцца адпрацаваныя газы - прадукты згарання паліва. Калі адключыць скрынку перадач, якая злучае вядучыя колы з валам рухавіка, колькі заўгодна можна спальваць бензіну ў рухавіку і выкідваць прадукты гарэння праз выхлапную трубу - аўтамабіль будзе стаяць на месцы. Для таго, каб які працуе рухавік мог выклікаць рух аўтамабіля па дарозе, неабходна вал рухавіка злучыць з вядучымі коламі. Колы дзякуючы высілку, передаваемому ад рухавіка, будуць спрабаваць адштурхнуць ад сябе зямны шар, а ён у сваю чаргу будзе адштурхоўваць аўтамабіль. Сіла, дзеючая на вядучыя колы, і прымушае аўтамабіль рухацца. Рэакцыя ж сцякалі з газаў рухавіка практычна не аказвае ніякага ўплыву на рух аўтамабіля. Такім чынам, рухавік аўтамабіля служыць прыкладам рухавіка непрамы рэакцыі.

Для рухавіка непрамы рэакцыі абавязкова патрэбна асяроддзе, якая магла б служыць апорай для рухавіка. (Рухачом ў аўтамабілі служаць вядучыя колы, у параходзе - вяслярны шруба, у поршневых самалётах - прапелеры.) Маюцца і іншыя рухавікі, так званыя рухавікі прамой рэакцыі. Амаль усе сучасныя знішчальнікі аснашчаны паветрана-рэактыўнымі рухавікамі, г. зн. з рухавікамі прамой рэакцыяй. Хто бачыў гэтыя самалёты паблізу, той, напэўна, звярнуў увагу на іх незвычайны выгляд - у іх няма традыцыйнага прапелера. Як жа яны перасоўваюцца па паветры, чым жа яны адкідаюць ад сябе паветраную масу?

Рух беспропеллерных самалётаў, на якіх устаноўлены паветрана-рэактыўныя рухавікі (ВРД), забяспечваецца рэакцыяй сцякалі з рухавіка газаў, якія ўтвараюцца ў працэсе згарання паліва. Успомніце прыклад санак, якія рухаюцца таму, што чалавек, які стаіць на іх, адкідвае ад сябе груз. Такім «грузам» у самалётах з рэактыўнымі рухавікамі прамой рэакцыі служаць газы - прадукты згарання паліва. Так як газы бесперапынна мінаюць праз сопла рухавіка, то і самалёт бесперапынна адчувае дзеянне штурхаць сілы, якая прымушае яго рухацца. Па законе захавання імпульсу імпульс мінае з сопла газу павінен быць роўны імпульсу самалёта, ўзятаму з адваротным знакам (пры ўмове, што на самалёт не дзейнічаюць знешнія сілы).

Такім чынам, ВРД забяспечвае рух самалёта за кошт рэакцыі якая мінае масы газаў. ВРД - гэта рухавік прамой рэакцыі. Можна стварыць лятальны апарат з паветрана-рэактыўным рухавіком, які, здзяйсняючы палёт, не будзе мець патрэбу ў якой-небудзь апоры. А ці зможа такі апарат з ВРД працаваць у беспаветранай прасторы? Аказваецца, няма. У ВРД (як і ў пераважнай большасці іншых рухавікоў) паліва згарае ў атмасферы паветра. Кісларод паветра акісляе гаручае рэчыва, у выніку чаго вылучаецца цеплавая энергія, якая затым ператвараецца ў механічную энергію руху. Паветра для ВРД патрэбен як крыніца кіслароду, без якога немагчыма гарэнне паліва, таму самалёт або любы іншы лятальны апарат з ВРД можа лётаць толькі ў асяроддзі, дзе ёсць паветра.

А ці існуюць такія рухавікі, якія не маюць патрэбу ў паветры як крыніцы акісляльніка паліва? Такія рухавікі існуюць. Калі б іх не было, мы б з вамі не былі сведкамі тых дзіўных палётаў у касмічную прастору, якія здзяйсняюцца ў наш час. Рухавікі, якія дазволілі выйсці чалавека ў космас, таксама прамой рэакцыі, але ў адрозненне ад ВРД згаранне паліва ў іх адбываецца не ў атмасферы паветра, а ў окислителе, які гэтак жа, як паліва (бензін, газа); маецца на борце лятальнага апарата. Рухавікі, у якіх прымяняецца вадкі акісляльнік і вадкае гаручае, называюцца вадкасныя-рэактыўнымі рухавікамі (ЖРД).

Вадкасныя-рэактыўныя рухавікі прымяняюцца ў асноўным у касмічных ракетах. Вадкасная ракета адрозніваецца ад любой іншай машыны тым, што ў яе паліўных баках знаходзіцца не толькі рэчыва, якое здольна гарэць у рухавіку (яно называецца гаручым кампанентам), але і рэчыва, якое не гарыць, але падтрымлівае гарэнне (яно называецца акісляльных кампанентам паліва). Для спальвання 1 кг гаручага кампанента патрабуецца розная колькасць акісляльніка. Напрыклад, для таго паліва, якое ў цяперашні час прымяняецца ў ракетах, на 1 кг паліва спажываецца ад 2,5 да 4 кг акісляльніка.

Што ж з'яўляецца паказчыкам каштоўнасці паліва касмічных ракет? Мы ўжо бачылі, што ЖРД - гэта рухавік прамой рэакцыі. Рух летательному апарату (г. зн. ракеце) ён паведамляе дзякуючы таму, што з яго сопла выкідваецца маса газу прадуктаў згарання паліва. Сіла, якая прымушае рухацца ракету, тым больш, чым вялікім імпульсам валодаюць якія мінаюць з сопла рухавіка газы. Але імпульс - гэта твор масы газаў на іх хуткасць. Для таго каб гэта твор было вялікім, трэба мець або вялікую хуткасць газаў, альбо вялікую іх масу. Ці выгадна ісці па шляху павелічэння масы газаў? Не, не выгадна. Бо ўсю гэтую масу неабходна браць на борт касмічнай ракеты, а гэта моцна павялічыць яе вага, зробіць ракету цяжкай і грувасткай. Таму такі шлях непажаданы.

Можна павялічыць хуткасць заканчэння газаў. Можа быць, гэты шлях больш прымальны? Так, павялічваць хуткасць заканчэння газаў з сопла рухавіка карысна. Але як гэта зрабіць? Вы ведаеце, што ў цвёрдых целах малекулы, з якіх яны складаюцца, знаходзяцца амаль у нерухомым стане - яны могуць толькі вагацца каля свайго сярэдняга становішча. Што адбываецца з малекуламі цвёрдага цела, калі яго награваць? Па меры награвання павялічваецца хуткасць руху малекул, пакуль тэмпература цела не дасягне кропкі плаўлення і цвёрдае цела не ператворыцца ў вадкасць. У вадкасцях малекулы рухаюцца хутчэй, чым у цвёрдых целах. Награваючы вадкасць, яе можна ператварыць у пар, г. зн. перавесці ў газападобнае стан, У газах якія рухаюцца малекулы маюць хуткасць шмат большую, чым у вадкасцях, а тым больш у цвёрдых целах. Чым больш награваць газ, тым хутчэй будуць рухацца яго малекулы.

Такім чынам, адным з асноўных спосабаў атрымання газападобных прадуктаў, якія валодаюць вялікай кінэтычнай энергіяй, служыць іх нагрэў. За кошт чаго могуць награвацца газы - прадукты згарання паліва ў рухавіку? Відавочна, за кошт энергіі, якая вылучаецца ў працэсе гарэння паліва. Такім чынам, першым і галоўным умовай атрымання вялікай хуткасці заканчэння газападобных прадуктаў згарання з сопла рухавіка з'яўляецца высокая теплопроизводительность паліва (теплопроизводительность - гэта колькасць цяпла, які вылучаецца пры згаранні адзінкі масы паліва).

Але не толькі теплопроизводительность вызначае хуткасць заканчэння прадуктаў згарання з сопла рухавіка. За кошт якая вылучаецца энергіі малекулы газу разганяюцца да адпаведнай хуткасці. А хіба абыякава, што разганяецца? Калі выдаткаваць адно і тое ж колькасць энергіі на разгон малога і вялікага шара, то пры іншых роўных умовах малы шар набывае хуткасць вялікую, чым вялікі. Што ўяўляе сабой любы газ, у тым ліку і газ, які ўтвараецца пры згаранні паліва ў вадкасным ракетным рухавіку? Вы ведаеце, што газ - гэта навала незлічонага мноства малекул, г. зн. драбнюткіх шарыкаў. Памер і маса малекул розных газаў не аднолькавыя. Самыя маленькія шарыкі - гэта малекулы наилегчайшего газу вадароду. Малекула вады ў 9 разоў больш па масе, чым малекула вадароду, а малекула вуглякіслага газу цяжэй малекулы вадароду ў 22 разы. Які ж газ з трох названых лягчэй разагнаць да зададзенай хуткасці? Калі да паказаных газам падвесці адно і тое ж колькасць цяпла, то хуткасць малекул вадароду будзе больш, чым малекул пароў вады, а тым больш малекул вуглякіслага газу. Так мы прыходзім яшчэ да аднаго вельмі важнаму паказчыку ацэнкі якасці паліва ракетных рухавікоў. Гэты паказчык - велічыня малекулярнай масы газаў, якія атрымліваюцца пры іх згаранні. Чым менш гэтая велічыня, тым вышэй якасць паліва.

Паліва ў ракеце захоўваецца ў паліўных баках. Зразумела, што бакі вялікага аб'ёму будуць мець і вялікую масу. А варта мець на ўвазе, што паліўныя бакі - гэта самая вялікая па памерах частка ракеты. Таму памер паліўных бакаў у асноўным і вызначае памер ракеты ў цэлым. Вось чаму пажадана, каб паліва валодала як мага большай шчыльнасцю. Пры адной і той жа масе кампаненты з большай шчыльнасцю займаюць меншы аб'ём, чым кампаненты з малой шчыльнасцю.

Такім чынам, асноўныя патрабаванні да вадкім ракетным топливам заключаюцца ў наступным: высокая теплопроизводительность і шчыльнасць і малая малекулярная маса прадуктаў згарання.

Вадкае ракетнае паліва складаецца з двух частак, якія захоўваюцца ў асобных, ізаляваных адзін ад аднаго баках ракеты. Змешваюцца кампаненты паліва толькі пры трапленні ў рухавік. Азнаёмімся з тымі рэчывамі, якія ўжываюцца ў цяперашні час у касмічных ракетах як кампаненты ракетных паліваў, і тымі, якія могуць прымяняцца ў будучыні.

Акісляльнікамі ракетных паліваў могуць служыць розныя рэчывы, у склад якіх уваходзіць актыўны кісларод, г. зн. кісларод, здольны акісляць гаручыя элементы. Кісларод, які ўваходзіць, напрыклад, у малекулу вады,- гэта не актыўны кісларод. Пры злучэнні з двума атамамі вадароду яго акісляльныя ўласцівасці былі выкарыстаны цалкам. А вось у такіх злучэннях, як азотная кіслата або перакіс вадароду, кісларод знаходзіцца ў стане, пры якім ён яшчэ не цалкам выдаткаваў сваю акісляльную здольнасць. Калі змяшаць азотную кіслату з гаручым рэчывам і нагрэць сумесь да адпаведнай тэмпературы, яна загарыцца, і будзе гарэць без доступу паветра. Паветра для гарэння такой сумесі не патрабуецца, так як кісларод, неабходны для падтрымання гарэння, змяшчаецца ў дастатковай колькасці ў азотнай кіслаце.

А якую ролю гуляюць іншыя атамы, якія ўваходзяць у малекулу азотнай кіслаты? Бо, акрамя трох атамаў кіслароду, у яе малекуле змяшчаецца па адным атаму азоту і вадароду. Гэтыя атамы не дапамагаюць гарэнню, ад іх прысутнасці ў гаручай сумесі яе теплопроизводительность не павялічваецца. Больш таго, яна нават памяншаецца. Бо калі у печ разам з кавалкамі каменнага вугалю, пры гарэнні якога вылучаецца цяпло, падкладаць камяні, цяпла больш не атрымаеш. Камяні - гэта баласт, які не гарыць, але, награваючыся, спажывае цяпло і такім чынам спрыяе памяншэнню тэмпературы нагрэву печы. Такі ж баласт ўяўляюць і атамы азоту і вадароду, якія ўваходзяць у склад малекулы азотнай кіслаты. Чаму ж гэтыя атамы з'яўляюцца баластам?

Азот, як вядома, інэртны газ - гэта і не акісляльнік і гаручае, таму атамы азоту, у якіх бы злучэннях яны ні знаходзіліся, натуральна аднесці да баластнай прымешкі. Вадарод жа вядомы як гаручы элемент, які валодае высокай теплопроизводительностью. Гэта дакладна, але да тых часоў, пакуль вадарод не падвергнуўся акіслення. У малекуле ж азотнай кіслаты атам вадароду звязаны непасрэдна з кіслародам (гэтак жа, як і ў малекуле вады), таму ён цалкам вокіслаў і ў гарэнні не ўдзельнічае. Такім чынам, малекула акісляльніка можа складацца з двух відаў атамаў - баластных, г. зн. не прымаюць удзелу ў працэсе гарэння, і актыўных - якія падтрымліваюць працэс гарэння. Аб каштоўнасці акісляльніка ракетных паліваў у вядомай ступені можна меркаваць па змесце актыўнага кіслароду ў яго малекулах. Чым большы працэнт актыўнага кіслароду змяшчаецца ў окислителе, тым вышэй яго якасць, тым ён больш эфектыўна.

Ясна, што калі ўжываць акісляльнік, у які ўваходзяць толькі атамы кіслароду, то гэта будзе найлепшы акісляльнік. А ці можа быць такое рэчыва? Вядома, можа. Мы ж дыхаем паветрам, у склад якога ўваходзіць кісларод. Малекула кіслароду складаецца з двух атамаў кіслароду, г. зн. гэта акісляльнік са 100-працэнтным утрыманнем акісляльнага элемента. Таму кісларод з'яўляецца вельмі каштоўным акісляльнікам ракетных паліваў. Паліва з такім акісляльнікам валодаюць высокай теплопроизводительностью. У цяперашні час кісларод ўжываюць у многіх ракетах і, у прыватнасці, тых, якія падымаюць штучныя спадарожнікі Зямлі, касмічныя караблі ў касмічную прастору. Вядома, для харчавання ракетных рухавікоў ўжываецца не газападобны кісларод. Яго ператвараюць у вадкасць і ў вадкім стане запраўляюць у паліўныя бакі ракеты.

Вадкі кісларод, вадкі газ, вадкі паветра - усё гэта гучыць крыху нязвыкла. Вы, вядома, ведаеце, што ўсе рэчывы могуць быць пераведзены ў любы агрэгатны стан. Для таго каб перавесці якое-небудзь цвёрдае рэчыва ў вадкасць або газ, яго неабходна награваць. Каб ажыццявіць зваротны пераход ад газападобнага стану да вадкага або цвёрдага, рэчыва неабходна астуджаць (пад пэўным ціскам). Для звадкаванні розных газаў патрабуецца не аднолькавая ступень астуджэння. Так, напрыклад, для таго каб ператварыць у вадкасць такі газ, як аміяк, дастаткова астудзіць яго да тэмпературы - 33° С, а для звадкаванні газападобнага кіслароду, астуджэнне, трэба весці да тэмпературы - 183°С.

Ці з'яўляецца вадкі кісларод найлепшым з магчымых акісляльнікаў ракетных паліваў? Няма, могуць быць акісляльнікі з яшчэ больш высокімі паказчыкамі, чым чысты кісларод.

Аб адным з такіх рэчываў, вы, магчыма, чулі. Пасля дажджу летам, у полі ці лесе, гэта рэчыва ў вельмі малой колькасці з'яўляецца ў паветры. Яго можна выявіць па паху. Яно называецца азонам. Часцей за ўсё пах азону ў паветры адчуваецца пасля дажджу, якому папярэднічаюць моцныя навальнічныя разрады. Пры навальнічных разрадах малекулы кіслароду, якія знаходзяцца ў паветры, ператвараюцца ў малекулы азону. Па складзе малекулы азону і кіслароду вельмі падобныя адзін на аднаго. У малекулу кіслароду ўваходзяць два атама кіслароду, у малекулу азону - тры. Іншых атамаў у малекуле азону няма, г. зн. гэта рэчыва, гэтак жа як і кісларод, складаецца на 100% з атамаў кіслароду.

Падабенства кіслароду і азону на гэтым і сканчаецца. Ва ўсім астатнім яны зусім не падобныя адзін на аднаго. Шчыльнасць кіслароду ў вадкім стане пры тэмпературы кіпення (-183°З) роўная 1,14 х 103 кг/м3, а шчыльнасць азону таксама пры тэмпературы кіпення (-112°З) роўная 1,8 х 103 кг/м3, г. зн. азон цяжэй кіслароду. Адрозніваюцца яны і па вонкавым выглядзе. Вадкі кісларод - блакітнаватага колеру, вадкі азон - цёмна-фіялетавы. Вадкі азон як акісляльнік ракетных паліваў, па энергетычных паказчыках значна пераўзыходзіць вадкі кісларод, аднак у ракетнай тэхніцы ён пакуль не ўжываецца. Чаму?

Азон, хоць і складаецца з атамаў кіслароду, якім мы дыхаем, без якога немагчымая жыццё, валодае выключна высокімі атрутнымі ўласцівасцямі. Удыханне пароў азону нават у вельмі малой колькасці небяспечна для здароўя і жыцця чалавека. Адзін гэты недахоп, праўда, не мог бы служыць прычынай, каб азон не ўжываўся як акісляльнік ракетных паліваў. У ракетнай тэхніцы прымяняюцца рэчывы, не якія саступаюць па отравляющему дзеяння азону. Заўсёды можна знайсці сродкі, якія выключаюць небяспеку звароту з падобным рэчывам.

Другі больш сур'ёзны недахоп азону - яго выключная выбуховых. Нават невялікая ўзварушэнне, асабліва ўдар, можа прывесці да выбуху азону. Выбуховыя ўласцівасці вадкага азону - галоўная прычына таго, што гэта рэчыва не ўжываецца як кампанент паліва.

Мы прывыклі лічыць гарэннем працэс злучэння якога-небудзь рэчывы з кіслародам з вылучэннем пры гэтым цяпла і адукацыяй бачнага полымя. Але гарэць рэчывы могуць не толькі ў кіслародзе,але і ў хлору, броме, фторе. Гарэнне ў атмасферы гэтых рэчываў таксама суправаджаецца вылучэннем цяпла і адукацыяй бачнага полымя. Хром, бром, фтор, як і кісларод,з'яўляюцца акісляльнікамі. З некислородных акісляльнікаў найбольш цікавы фтор. У атмасферы фтору можа гарэць ўсё. Нават такі класічны акісляльнік, як кісларод, гарыць у фторе, г. зн. гуляе ролю ўжо не акісляльніка, а гаручага рэчывы.

Усім добра вядома, што вада не гаручае рэчыва. Яна не толькі не гарыць, але засцерагае ад гарэння іншыя рэчывы. А вось калі б здарыўся пажар, пры якім гарэнне адбывалася ў атмасферы газападобнага фтору, а не паветра, то такі пажар тушыць вадой было б неразумна. Падліваць ваду ў фторный пажар усё роўна, што падліваць алей у звычайны пажар. Масла ў агонь падліваць нельга таму, што яно гарыць, і, такім чынам, полымя пры трапленні ў яго алею стане толькі больш. Вада ў фторе гарыць падобна масле ў кіслароднай атмасферы. З гэтага можна зрабіць выснову, што фтор як акісляльнік значна больш актыўна кіслароду.

Што ўяўляе сабой фтор? Пры нармальных умовах, г. зн. пры пакаёвай тэмпературы і атмасферным ціску, фтор - газ жоўта-зялёнага колеру, які валодае вельмі моцнымі атрутнымі ўласцівасцямі. Яго небяспечна але толькі ўдыхаць, але і знаходзіцца ў атмасферы фтору, так як ён дзівіць скуру, выклікаючы адукацыю доўга не загойваецца язваў.

У якасці акісляльніка ракетных паліваў мэтазгодна ўжываць вадкі фтор, які атрымліваюць астуджаючы да тэмпературы -150°З пад пэўным ціскам газападобны фтор. Вадкі фтор ў 1,5 разы цяжэй вады. Вадкі фтор, гэтак жа як і вадкі кісларод, знаходзячыся пры звычайнай тэмпературы, бесперапынна кіпіць, вылучаючы ў навакольнае прастору надзвычай атрутны і пажаранебяспечны газ. Як жа ў такім выпадку захоўваць вадкі фтор? Каб выключыць трапленне атрутных пароў вадкага фтору ў навакольную прастору, яго трэба захоўваць пры тэмпературы больш нізкай, чым тэмпература кіпення фтору.

Больш нізкую тэмпературу кіпення (-196°С) мае вадкі азот - газ, які ўваходзіць у склад паветра. Вадкім азотам і астуджаюць ёмістасць, у якую наліты фтор. Сховішча вадкага фтору ўяўляе сабой цыліндр у цыліндры. Ва ўнутраным цыліндры змяшчаецца вадкі фтор, а на знешнім - вадкі азот. Вадкі азот паступова выпараецца, вылучаючы ў навакольны паветра газападобны азот, бяспечны для здароўя. У пажарным дачыненні да азот таксама не небяспечны - ён сам не гарыць і не падтрымлівае гарэння іншых гаручых рэчываў. Тэмпература жа вадкага фтору дзякуючы астуджэнню яго вадкім азотам ўвесь час застаецца значна ніжэй тэмпературы яго кіпення. У емістасць, у якую наліты вадкі азот, па меры выкіпання апошняга дадаюць новыя порцыі вадкасці. У падобных ёмістасцях вадкі фтор не толькі захоўваюць, але і перавозяць на вялікія адлегласці.

Якія ж перавагі мае вадкі фтор як акісляльнік у параўнанні з вадкім кіслародам? Фтор пераўзыходзіць кісларод па двух паказчыках. Па-першае, ён мае вялікую шчыльнасць: шчыльнасць вадкага фтору амаль у 1,5 разы больш шчыльнасці вадкага кіслароду, а гэта, як мы ўжо бачылі, мае вялікае значэнне. У паліўны бак ракеты вадкага фтору можна змясціць амаль у 1,5 разы больш, чым кіслароду. Па-другое, теплопроизводительность паліваў з фторным акісляльнікам вышэй, чым з кіслародным. Вось чаму, нягледзячы на моцную ядавітасць фтору і яго выключную пажаранебяспека, з ім вядуцца працы, і, па-відаць, у найбліжэйшай будучыні ракеты будуць абсталёўваць рухавікамі, якія працуюць на фторном окислителе.

Для фторного паліва мае значэнне правільны выбар гаручага. Галоўныя гаручыя элементы, у тых ці іншых спалучэннях, якія ўваходзяць у большасць гаручых рэчываў (каменны вугаль, нафта, торф, дровы і інш.), - гэта вуглярод і вадарод. У некаторыя гаручыя рэчывы яны ўваходзяць амаль у чыстым выглядзе. Напрыклад, каменны вугаль амаль на 100% складаецца з вугляроду, а гаручы газ аміяк (NH₃) мае ў сваім складзе толькі адзін гаручы элемент - вадарод. Паглядзім, якія прадукты згарання атрымліваюцца пры гарэнні ў фторе гаручага, які складаецца на 100% з вугляродных атамаў. Вядома, што фтор - элемент одновалентный, а вуглярод - четырехвалентный. Такім чынам, пры злучэнні фтору з вугляродам ўтворыцца малекула, у якой на адзін атам вугляроду прыходзіцца 4 атама фтору (CF₄). Малекулярная маса такога рэчывы роўная 88. Калі ж у фторе будзе згараць гаручае, на 100% які складаецца з атамаў вадароду, то будзе ўтварацца малекула, у якой на адзін атам вадароду прыпадае адзін атам фтору (HF). Гэта злучэнне называецца фтористым вадародам. Малекулярная маса фторыстага вадароду роўная 20 (у 4, 5 разы менш, чым у CF₄). Вось чаму са фторным акісляльнікам выгадна ўжываць гаручае рэчыва, у склад якога ўваходзяць галоўным чынам атамы вадароду, і як мага менш атамаў вугляроду, а яшчэ лепш, каб атамаў вугляроду ў паліве зусім не ўтрымлівалася.

З усяго вышэйсказанага вынікае, што найбольш каштоўнымі акісляльнікамі ракетных паліваў можна лічыць два - вадкі кісларод і вадкі фтор. Вадкі кісларод у цяперашні час з'яўляецца асноўным акісляльнікам паліваў, якія выкарыстоўваюцца ў касмічных ракетах. Вадкі фтор пакуль не прымяняецца, але працы па вывучэнні яго уласцівасцяў як кампанента паліваў вядуцца інтэнсіўна.

Пазнаёмімся зараз больш падрабязна з другім кампанентам паліва - гаручым.

Якія ж рэчывы пры гарэнні вылучаюць вялікая колькасць цяпла? Вельмі вялікі теплопроизводительностью валодаюць некаторыя металы. Металы - гаручае? Гучыць нязвыкла. Вядома, цяжка ўявіць сабе, як можа працаваць на металічным гаручым аўтамабільны рухавік, але ракетны можа. Як можна спальваць металы? Калі паспрабаваць падпаліць жалеза на паветры, то з гэтага нічога не атрымаецца. Аднак вы ведаеце, што жалеза на паветры іржавее. Што такое іржаўлення? Гэта працэс злучэння кіслароду паветра з жалезам, г. зн. працэс акіслення. Ён шмат у чым падобны з гніеннем дрэва. Дрэва на паветры таксама паступова акісляецца і ператвараецца ў пацяруху. Варта ж дрэва нагрэць да тэмпературы 300 - 400°З, працэс гніення, т. е. павольнага акіслення, пераходзіць у працэс гарэння, г. зн. хуткага акіслення. Сапраўды гэтак жа жалеза, калі яго нагрэць да высокай тэмпературы, ды яшчэ ў атмасферы чыстага кіслароду, пачне гарэць з адукацыяй сляпучага яркага полымя.

У выніку гарэння жалеза ў чыстым кіслародзе ўтвараюцца тыя ж вокіслы жалеза, г. зн. іржа, што і пры павольным яго акісленні. Але жалеза, як гаручы кампанент ракетных паліваў, не ўяўляе цікавасці, яно мае параўнальна малую теплопроизводительность. Аднак ёсць металы, гарэнне якіх суправаджаецца вылучэннем вялікай колькасці цяпла. Да такім металах ставіцца ўсім добра вядомы алюміній, а таксама магній і некаторыя іншыя. Асабліва вылучаецца шмат цяпла пры гарэнні металу берылію. Праўда,гэты метал вельмі рэдкі, таму ён вельмі дарог. Да таго ж берылій і яго вокіслы (якія будуць атрымлівацца пры згаранні берылію ў ракетным рухавіку) валодаюць надзвычай моцнымі атрутнымі ўласцівасцямі. Небяспека атручвання пры рабоце з берылію, а таксама яго дарагоўля - вось прычыны, па якіх берылій наўрад ці ў бліжэйшы час будзе ўжывацца як кампанент паліва касмічных ракет.

А вось з алюмініем і магніем справа ідзе прасцей. Даўно прайшло той час, калі алюміній шанаваўся на вагу золата. Цяпер гэта адзін з найбольш распаўсюджаных і танных металаў. Бо нават сталовыя лыжкі і рондалі робяць з алюмінія. Магнію таксама ў прыродзе шмат і ён недарагі. Таму цалкам магчыма, што гэтыя два металу стануць ўжываць у якасці складовай часткі ракетных паліваў. Па-відаць, ні алюміній, ні магній ў чыстым выглядзе спальваць у ракетным рухавіку немэтазгодна. Справа ў тым, што пры згаранні алюмінія ў атмасферы кіслароду ўтвараюцца вокіслы алюмінія (Al₂O₃), малекула якіх складаецца з пяці атамаў, а малекулярная маса Al₂O₃ роўная 102. Малекула вокісу алюмінія вельмі цяжкая. Маса яе ў 5,5 разы больш масы малекулы вады і ў 2,5 разы малекулы вуглякіслага газу.

Яшчэ вялікім недахопам з'яўляецца высокая тэмпература кіпення вокісу алюмінія - яна ператвараецца ў кіпячую вадкасць пры тэмпературы 2000°С. такім Чынам, пры зніжэнні тэмпературы прадуктаў згарання паліва ў вадкасным ракетным рухавіку да 2000°З вокіс алюмінія становіцца вадкай, а пры далейшым зніжэнні тэмпературы і цвёрдай. А калі рэчыва дубянее, то ўтвараюцца часціцы з вельмі вялікай колькасці малекул. Маса такіх часціц па параўнанні з масай асобных малекул будзе велізарнай. А мы ўжо ведаем, што гэта дрэнна. Часціцу вокісу металу, якая складаецца з многіх тысяч і мільёнаў малекул, разагнаць да вялікай хуткасці ў ракетным рухавіку не толькі цяжка, але і немагчыма. Таму сіла рэакцыі ад такіх часціц, якія вылятаюць з рухавіка, будзе невялікі.

Як жа рацыянальна выкарыстоўваць вялікую теплопроизводительность металічных паліваў у ракетных рухавіках?

Па-відаць, ўжываць металы як складовую частку паліва ў рухавіках касмічных ракет можна будзе ў спалучэнні з іншымі гаручымі рэчывамі ў выглядзе дадаткі да іх, якая падвышае теплопроизводительность паліва.

Згаранне такога паліва, як газа, суправаджаецца адукацыяй вялікай колькасці газападобных рэчываў (у асноўным вадзяных пароў і вуглякіслага газу), якія маюць параўнальна невялікую малекулярную масу, але теплопроизводительность газы па параўнанні з металамі невялікая. З прычыны гэтага тэмпература газаў - прадуктаў згарання газы - у камеры ракетнага рухавіка таксама аказваецца невялікі. Калі ж адначасова з газай ў рухавіку будзе згараць якое-небудзь металічнае гаручае (напрыклад, алюміній), то гэта прывядзе да павышэння тэмпературы газаў - прадуктаў згарання, г. зн. павышэнню хуткасці іх руху малекул. А раз хуткасць руху малекул павялічыцца, то і павялічыцца імпульс, што, як ужо было сказана, прывядзе да павышэння рэактыўнай сілы, якая перадаецца рухавіком ракеце.

Як можна змяшаць газа з металам? Пры гэтым трэба яшчэ памятаць і аб тым, што такую сумесь неабходна прапампоўваць па трубаправодах для таго, каб падаць яе з паліўнага бака ў камеру згарання рухавіка. Аказваецца, алюміній, як і іншыя металы, можна падвяргаць драбненню да часціц любога памеру, аж да тонкай металічнай пылу. У такім моцна здробненым выглядзе метал можна змяшаць з вадкім гаручым. Для таго каб цвёрдыя часціцы не абложваюцца на дно паліўнага бака, сумесь, мабыць, час ад часу неабходна будзе змешваць.

Якія яшчэ рэчывы могуць служыць гаручымі кампанентамі ракетных паліваў касмічных ракет? Як вядома, усе арганічныя рэчывы гараць і вылучаюць пры гэтым цяпло. Галоўнай складовай часткай арганічных рэчываў з'яўляюцца два элемента - вадарод і вуглярод. Так, напрыклад, усе вуглевадароды (газа, бензін, дызельнае паліва) - гэта арганічныя рэчывы, якія складаюцца ўсяго толькі з двух элементаў - вадароду і вугляроду. Добра вядома, што теплопроизводительность нафтапрадуктаў тым вышэй, чым больш у іх малекулу ўваходзіць атамаў вадароду. Такім чынам, з двух галоўных гаручых элементаў арганічных рэчываў - вадароду і вугляроду - большай теплопроизводительностью валодае вадарод (прыкладна ў 1,5 разы). Відавочна, найбольш эфектыўным палівам было б такое рэчыва, у малекулах якога ўтрымліваліся б толькі атамы вадароду.

Сапраўды, чысты вадарод валодае вельмі высокімі паказчыкамі, як гаручы кампанент ракетных паліваў. Яго теплопроизводительность пераўзыходзіць теплопроизводительность газы ў 1, 35 разы, а малекулярная маса прадуктаў згарання менш, чым. малекулярная маса прадуктаў згарання газы, у 1,66 разы. Але ці можна ўжываць чысты вадарод ў якасці кампанента паліва ў касмічных ракетах? Можна, хоць гэта спалучана з некаторымі цяжкасцямі. Вадарод ў звычайных умовах ўяўляе сабой газ, які лягчэй паветра ў 15 разоў. Ясна, што ўжываць вадарод ў касмічных ракетах ў газападобным стане практычна немагчыма. Занадта вялікі аб'ём займалі б паліўныя бакі, прызначаныя для захоўвання газападобнага вадароду, нават пад вельмі вялікім ціскам. Такім чынам, гэтак жа як і кісларод, яго неабходна сжижать, г. зн. астуджаць да тэмпературы, пры якой ён становіцца вадкім.

Мы ўжо казалі, што перавесці ў вадкае стан кісларод не проста. Для гэтага патрабуецца астуджаць яго да вельмі нізкай тэмпературы. Ператварыць у вадкасць вадарод яшчэ цяжэй. Вадарод пры ціску 1 атм (г. зн. пры ціску навакольнага паветра) можа знаходзіцца ў вадкім стане пры тэмпературы - 254°С. Успомнім, што абсалютны нуль (самая нізкая тэмпература, якая тэарэтычна магчымая) роўны - 273°С. такім Чынам, для таго каб вадарод перавесці ў вадкае стан, яго неабходна астуджаць да тэмпературы, не так ужо моцна адрозніваецца ад абсалютнага нуля тэмператур. Ці можна практычна гэта зрабіць? Аказваецца, можна. У цяперашні час у вадкім стане атрымліваюць не толькі вадарод з тэмпературай кіпення - 254°З, а і гелій, тэмпература кіпення якога -269°С, г. зн. усяго толькі на 4°С вышэй абсалютнага нуля.

Атрымаць вадкасць, кіпячую пры тэмпературы, блізкай да тэмпературы абсалютнага нуля, не проста, і вытворчасць такіх вадкасцяў абыходзіцца не танна. Цяжка іх атрымаць, ды і захаваць больш ці менш доўгі час таксама нялёгка.

Аднак як бы ні былі дасканалыя сховішчы вадкага вадароду, усё ж пары яго будуць паступаць у навакольную прастору. Да чаго гэта можа прывесці? Вадарод - паліва, прычым вельмі лёгка запальнае. А паветра ўяўляе сабой сумесь азоту з кіслародам, г. зн. акісляльнікам. Пары вадароду з паветрам ўтвараюць сумесь, здольную выбухаць нават пры нізкім утрыманні ў сумесі пароў вадароду. Вось чаму працаваць з вадкім вадародам вельмі небяспечна.

Вадкі вадарод мае яшчэ адзін недахоп - у яго вельмі малая шчыльнасць. 1 л вадкага вадароду ў 14 разоў лягчэй 1 л вады. Аднак, нягледзячы на гэты вельмі істотны недахоп вадкага вадароду, ён па параўнанні з іншымі гаручымі рэчывамі валодае тым перавагай, што мае вялікую теплопроизводительность і таму з'яўляецца адным з найбольш перспектыўных гаручых кампанентаў ракетных паліваў.

Мы разгледзелі найбольш важныя паліва, прыдатныя для ўжывання ў касмічных ракетах. Гэтыя паліва ставяцца да так званым хімічным крыніц энергіі. Чаму да хімічным? Таму што энергію гэтыя паліва вылучаюць у выніку працякання хімічнай рэакцыі - акіслення гаручага рэчыва з акісляльнікам. Атрымаць крыніца энергіі з лепшымі паказчыкамі, чым фтороводородное паліва, можна, калі скарыстацца паслугамі не хіміі, а фізікі.

Вядома, што пры некаторых фізічных працэсах энергіі вылучаецца ў дзясяткі і сотні разоў больш, чым пры хімічных.

Такія газы, як вадарод, кісларод і іншыя, пры нармальных умовах існуюць у выгляду малекул. Малекулы газаў простых рэчываў складаюцца з двух атамаў (выключэнне складаюць так званыя высакародныя газы - гелій, неон, аргон і інш.). Падзяліць, скажам, малекулу вадароду на атамы справа вельмі цяжкае. Трэба выдаткаваць для гэтага вялікая колькасць энергіі. Для ператварэння 1 кг малекулярнага вадароду ў атамарным патрабуецца выдаткаваць 50 000 ккал. Гэтага цяпла хопіць для таго, каб нагрэць 500 кг вады ад 0°С да кіпення. Відавочна, пры зваротным ператварэнні атамарнага вадароду ў малекулярны павінна вылучыцца (і сапраўды вылучаецца) такое ж колькасць цяпла. Пры згаранні самага высокакаларыйнага хімічнага паліва (фтороводородного) вылучаецца на 1 кг усяго толькі 3200 ккал, г. зн. у 15 разоў менш. Таму-то і ўзнікла павабная ідэя: стварыць для ракетных рухавікоў паліва, якое ўяўляла б сабой які-небудзь газ ў атамарным стане. Калі б такі газ у камеры ракетнага рухавіка пераходзіў з атамарнага стану ў малекулярнае, пры гэтым вылучалася б энергіі ў 10 - 15 разоў больш, чым пры згаранні такога ж колькасці лепшага хімічнага паліва.

Ідэя аб атамарным паліве паўстала, але выканаць яе аказалася не проста. Газы ў атамарным стане могуць працягла існаваць толькі пры тэмпературы -273°С. А пры больш высокіх тэмпературах атамы газаў імгненна злучаюцца ў малекулы. Такім чынам, захоўваць паліва, якое прадстаўляе сабой свабодныя атамы якога-небудзь газу, практычна немагчыма. Лепш сказаць - пакуль немагчыма. Навука шукае спосабы захоўвання газаў, якія складаюцца з свабодных атамаў. Калі гэтая задача будзе вырашана, ракетна-касмічная тэхніка атрымае вельмі магутнае паліва, з якім не зможа параўнацца ні адно з асвоеных і распрацоўваных хімічных паліваў.

Яшчэ вялікія магчымасці мае іншы крыніца энергіі, у якім цяпло вылучаецца таксама ў выніку фізічных працэсаў. Мы маем на ўвазе внутриядерную энергію. Такую фразу, як «матэрыя і энергія непадзельныя», вам, напэўна, даводзілася чуць, а што гэта значыць, далёка не кожны ведае. Самае простае фізічнае тлумачэнне гэтай фразе даў геніяльны вучоны нашага стагоддзя Альберт Эйнштэйн. Яго тлумачэнне зводзіцца да найпростай па ўвазе формуле: Е = mc2. У адпаведнасці з гэтай формулай энергія і маса ўзаемазвязаны (вось чаму энергія і матэрыя непадзельныя!), і ўсякае змяненне масы суправаджаецца змяненнем энергіі.

Пры згаранні ж 1 г кіслароднае-вадароднай сумесі (аднаго з найбольш теплопроизводительных хімічных паліваў) вылучаецца энергіі ў 1000 млрд разоў менш.

Энергію за кошт змены масы можна атрымаць двума шляхамі: 1) пры расшчапленні ядраў атамаў цяжкіх элементаў (такіх, як уран, торый) і 2) пры ўтварэнні з ядраў лёгкіх элементаў, такіх, як вадарод, дэйтэрый, трыцій, больш ядраў цяжкіх элементаў. І пры расшчапленні цяжкіх ядраў і пры сінтэзе з лёгкіх маса прадуктаў рэакцыі аказваецца менш масы ядраў зыходных рэчываў. Такім чынам, гэтыя працэсы павінны працякаць з вылучэннем энергіі.

Магчыма прымяненне ядзернага гаручага ў сілавых устаноўках касмічных ракет? Прынцыпова няма якіх-небудзь перашкод да таго, каб прымяняць гэты від энергіі ў рухавіках касмічных ракет. Яшчэ раз паўторым, што прынцыповых цяжкасцяў няма, аднак тэхнічных цяжкасцяў шмат і яны пакуль яшчэ не ўсе дазволеныя.

Такім чынам, мы цяпер ведаем, на якіх палівах працуюць рухавікі касмічных ракет у цяперашні час, на якіх будуць яны працаваць у найбліжэйшай будучыні і што можна чакаць у больш аддаленыя часы.

Разгледзім цяпер, якім чынам энергія, якая вылучаецца пры гарэнні хімічнага паліва, ператвараецца ў механічную, г. зн. у энергію руху касмічнай ракеты або касмічнага апарата. Так як рухавікі, якія ўстанаўліваюцца на касмічных ракетах і касмічных караблях, з'яўляюцца рухавікамі прамой рэакцыі, то трэба, каб у гэтых рухавіках ўтварылася працоўнае цела. Выкід часткі масы працоўнага цела за межы борта касмічнай ракеты і створыць рэактыўную сілу - прычыну, што выклікае рух ракеты.

Рабочым целам у ракетных рухавіках служаць газы - прадукты згарання паліва. Малекулы любога газу, нават пры нармальнай тэмпературы навакольнага паветра, як вядома, знаходзяцца ў бесперапынным руху. Хуткасць іх руху тым вышэй, чым больш тэмпература нагрэву. А ў якім кірунку рухаюцца малекулы газу? Ды ў самым розным. І ўверх, і ўніз, і направа, і налева. Ці мае значэнне кірунак руху масы, адкідаецца якім-небудзь целам, для велічыні якая ўтвараецца пры гэтым рэактыўнай сілы? Разбярэм гэта на прыкладзе. Дапусцім, з платформы, якая стаіць на рэйках, будуць скідаць ва ўсе бакі пясок - і наперад, і назад, і ў бакі. Што будзе з платформай? Практычна нічога. Яна будзе стаяць на месцы. А калі цяпер увесь пясок скідаць у адну бок, скажам, уздоўж рэек? Платформа можа пачаць рухацца па рэйках, і, чым даўжэй скідаць з яе груз, тым вялікую хуткасць яна разаўе.

Такім чынам, працоўнае цела, г. зн. распаленыя газы, якія атрымліваюцца пры згаранні паліва, неабходна выкідваць з рухавіка ў адным пэўным кірунку. Хаатычнага руху малекул газу, перад тым як яны стануць пакідаць рухавік, сьцякаючы ў навакольную прастору, варта надаць спарадкаванае рух, накіраваны ў адзін бок. Гэтая задача выконваецца спецыяльным прыладай рухавіка - соплам. Найлепшыя вынікі па пераўтварэнню ўнутранай энергіі газаў у энергію якая мінае бруі (г. зн. механічную энергію) дасягаюцца з дапамогай так званага сопла Лаваль (на малюнку 1 такое сопла паказана сумесна з камерай згарання рухавіка). Пасля таго як порцыя паліва згарыць у камеры рухавіка, у ёй будзе знаходзіцца газ пад некаторым ціскам. Пад дзеяннем ціску газ падыходзіць да сопляў і пачынае па ёй рухацца.

Як відаць з малюнка, папярочны перасек сопла памяншаецца па меры набліжэння да гарлавіне (якая называецца крытычным перасекам), з прычыны гэтага хуткасць руху газу па соплу ўвесь час узрастае. У крытычным перасеку хуткасць газу дасягае так званай гукавой хуткасці. Гук можа распаўсюджвацца толькі ў якой-небудзь асяроддзі - газападобнай, вадкай, цвёрдай. Хуткасць гуку залежыць ад шчыльнасці асяроддзя і яе тэмпературы. У гарлавіне сопла хуткасць патоку газу становіцца роўнай як раз такой хуткасці, з якой менавіта ў гэтым газе можа распаўсюджвацца гук (таму гэтую хуткасць і называюць гукавы). У паветры, як вядома, хуткасць гуку роўная ~ 340 м/сек. У распаленым газе яна некалькі вышэй.

Памер сопла пасля гарлавіны павялічваецца, таму паток газу пры далейшым руху пашыраецца. Пашырэнне газу суправаджаецца яго астуджэннем. Якая вылучаецца энергія не губляецца, а пераходзіць у кінэтычную энергію руху. Чым мацней газ астуджаецца, тым вялікую хуткасць руху набывае паток. Хуткасць патоку ў закритической часткі сопла становіцца больш хуткасці гуку. Да якой жа ступені мэтазгодна пашыраць газ?

Тэарэтычна газ у сопле варта было б пашыраць да тых часоў, пакуль уся яго ўнутраная энергія не ператварылася б у кінэтычную энергію патоку. Аднак, як паказваюць разлікі, каб усю ўнутраную энергію, складзеную ў прадуктах згарання паліва, ператварыць у кінэтычную энергію газавага патоку, сопла павінна быць даўжынёй каля 1,5 км. Што такое сопла немагчыма ўсталяваць на рухавіку, ясна кожнаму.

Практыка паказала, што тэмпература газаў, якія ўтвараюцца ў камеры ракетнага рухавіка, пры спальванні ў ёй хімічных паліваў дасягае ў сярэднім 3000 - 3500°С. Астуджаць газ шляхам пашырэння яго ў сопле мае сэнс да тэмпературы 900 - 1000°С. Далейшае астуджэнне за кошт пашырэння патрабуе гэтак вялікага і павелічэння памеру і вагі сопла, што выгады ўжо не атрымліваецца.

У залежнасці ад прызначэння рухавіка велічыня аптымальнай ступені пашырэння газаў у яго сопле змяняецца. Касмічныя ракеты робяцца складовымі, з некалькіх прыступак. Задача першай прыступкі - падняць ракету ад Зямлі на некаторую вышыню. Такім чынам, рухавікі першай ступені працуюць паблізу Зямлі, дзе шчыльнасць паветра вялікая. Для ракетнага рухавіка, які працуе ў шчыльных пластах атмасферы, выгадна пашыраць прадукты згарання паліва не вельмі моцна. З прычыны гэтага сопла рухавікоў першай прыступкі ракеты маюць невялікую даўжыню.

Рухавікоў другой прыступкі ракеты, а тым больш такой, даводзіцца працаваць на вялікіх вышынях, дзе паветра моцна разрэджаны. У гэтых умовах выгадна значнае пашырэнне газаў, якія вынікаюць з сопла рухавіка. Таму на другое і наступных прыступках ракеты ўсталёўваюць рухавікі з доўгімі сопламі.