В новом выпуске StarTalk знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий Чак Найс разбирают фундаментальные принципы ракетостроения. Они обсуждают, почему космос остается таким труднодоступным, в чем заключается «тиранство» ракетного уравнения и почему обычный автомобиль с точки зрения логистики — это роскошь, недоступная астронавтам.
🚗 Проблема «бензоколонки» и логика перелета 0:01
Для того чтобы понять сложность космических путешествий, Нил Деграсс Тайсон предлагает аналогию с поездкой на автомобиле из Нью-Йорка в Калифорнию . В обычных условиях водитель машины с двигателем внутреннего сгорания (ICE) просто заправляет бак и едет, пока бензин не закончится, зная, что вдоль дороги всегда найдутся заправочные станции .
Однако ситуация в корне меняется, если представить, что заправок на пути нет. В этом случае:
- Вам понадобился бы один гигантский бак, вмещающий топливо на весь путь до Калифорнии .
- Вес этого бака и самого топлива стал бы критическим фактором: значительная часть бензина, сжигаемого в Нью-Йорке, расходовалась бы исключительно на то, чтобы везти еще не использованное топливо, предназначенное для Чикаго или Лос-Анджелеса .
По словам Тайсона, именно в этом заключается главный вызов для ракет: в космосе нет заправочных станций . Каждая унция сожженного топлива нужна для того, чтобы поднять следующую унцию топлива чуть выше, чтобы та могла сгореть позже .
📈 Математическая ловушка: Ракетное уравнение 2:00
Тайсон описывает принцип работы «ракетного уравнения», которое определяет экспоненциальный рост необходимого топлива при увеличении полезной нагрузки . Если для вывода одного фунта полезной нагрузки на орбиту требуется, условно, один фунт топлива, то для двух фунтов нагрузки расчет не будет линейным .
Математика процесса выглядит следующим образом:
- Вам нужно топливо для самой полезной нагрузки.
- Вам нужно дополнительное топливо, чтобы поднять то топливо, которое вы будете использовать позже.
- В итоге количество горючего растет не в арифметической, а в геометрической прогрессии .
В реальности, как отмечает Тайсон, соотношение гораздо суровее: более реалистичный расчет — это 10 фунтов топлива на 1 фунт полезной нагрузки на орбите . Именно поэтому современные ракеты, такие как Apollo или Artemis, выглядят как огромные башни, на вершине которых расположена крошечная капсула Orion с астронавтами . Почти весь объем конструкции — это топливо, необходимое для того, чтобы доставить эту маленькую «верхушку» к Луне и обратно .
🌬️ Где взять кислород, если в космосе его нет? 5:10
Еще одно ключевое отличие ракеты от автомобиля заключается в способе окисления топлива. Двигатель внутреннего сгорания берет кислород из окружающего воздуха бесплатно . Ракета же, покидая атмосферу, лишается этого источника .
В конструкции современных ракетных систем используются разные подходы для решения этой проблемы:
- Твердотопливные ускорители (SRB): Как в системе Space Shuttle или Artemis, они могут использовать окружающий воздух на начальном этапе запуска, пока ракета находится в плотных слоях атмосферы . Как только воздух разрежается, они становятся бесполезными и отделяются .
- Основные двигатели: Для работы за пределами атмосферы ракета обязана нести окислитель с собой . Основной бак разделен на два отсека: один для топлива (водород), другой для окислителя (кислород) .
🧪 Химия старта: Водород, кислород и вода 7:28
Самым эффективным топливом Тайсон называет смесь жидкого водорода ($H_2$) и жидкого кислорода ($O$). Смешивание этих компонентов вызывает высокоэнергетическую экзотермическую реакцию .
Интересные факты о водородно-кислородном топливе:
- Чистый выхлоп: Единственным побочным продуктом сгорания этой смеси является обычная вода ($H_2O$) .
- Энергетический баланс: Чак Найс задает логичный вопрос: почему мы не используем такое «экологичное» топливо везде? Тайсон объясняет, что в природе нет чистого водорода «в свободном доступе» . Чтобы получить его из воды, нужно затратить больше энергии, чем вы получите при последующем сжигании этого водорода в двигателе .
- Плотность: Участники обсуждают, что компоненты используются именно в жидком виде, так как это позволяет упаковать гораздо больше молекул в ограниченный объем бака, чем в газообразном состоянии .
❄️ Лед посреди Флориды: Криогенные технологии 9:40
Жидкий водород остается жидкостью только при экстремально низких температурах — в районе нескольких градусов по шкале Кельвина (близко к абсолютному нулю) . Тайсон объясняет феномен, который многие видели на записях запусков ракет Saturn V со стартовых площадок во Флориде: во время старта от бортов ракеты отлетают куски льда .
Несмотря на жару во Флориде, топливные баки настолько холодные, что влага из окружающего воздуха мгновенно замерзает на обшивке . Это необходимо для поддержания максимальной плотности топлива и получения максимальной тяги .
Согласно третьему закону Ньютона, чтобы двигаться вперед, ракета должна выбрасывать массу в противоположном направлении . «Для каждого действия есть равное и противоположное противодействие» . Именно поэтому мы видим огромные шлейфы огня и газа — это и есть «масса», которая толкает ракету в космос .
🇷🇺 История и «водка в 10 утра» 11:15
У истоков теории ракетного движения стоял российский ученый Константин Циолковский, который первым вывел то самое ракетное уравнение в начале XX века .
В завершение беседы Нил Деграсс Тайсон поделился личной историей о визите в Россию в составе правительственной комиссии . Во время встречи с главой российской космической программы в 10 часов утра тот достал из секретного шкафа за рабочим столом бутылку водки и предложил гостям . Тайсон с юмором отметил, что как американец он не был готов к такому «завтраку», но признал это частью местной специфики .
