upora pri vožnji!), pač pa so brezpogojno nujne. Kako bi bilo sicer mogoče prevoziti neznanske vesoljske razdalje v času, ki je na razpolago človeku? Ni pa nevarnosti, da bi utegnila biti prevelika hitrost zdravju škodljiva; hitro­sti na sebi se namreč ne zavedamo, pa čeprav je še tako velika. Kot »potujoči gostje na Zemlji« nenehno letimo okoli Sonca s hitrostjo 30000 metrov na sekundo, ne da bi jo kdajkoli občutili. Popolnoma drugače pa je s pospe­ški pri izsiljenih spremembah hitrosti, kot bomo videli kasneje.
Tabela 3 omogoča, da med seboj lažje primerjamo opazovane potovalne hitrosti, kar je sicer razmeroma težko zaradi različno uporabljenih načinov označevanja (za do sedaj znana vozila km na uro, za vesoljske polete pa meter ali kilometer na sekundo).
Tabela 3
Kilometer
Meter
Kilometer
na uro
na sekundo
na sekundo
km/h
m/s
km/s
5
1,39
0,00139
10
2,78
0,00278
30
8,34
0,00834
50
13,9
0,0139
70
19,5
0,0195
90
25,0
0,0250
100
27,8
0,0278
150
41,7
0,0417
200
55,6
0,0556
300
83,4
0,0834
360
100
0,1
500
139
0,139
700
195
0,195
720
200
0,2
40
Kilometer
Meter
Kilometer
na uro
na sekundo
na sekundo
km/h
m/s
km/s
1 000
278
0,278
1 080
300
0,3
1 190
330
0,33
1 800
500
0,5
2 000
556
0,556
2 520
700
0,7
3 000
834
0,834
3 600
1 000
1
5 400
1 500
1,5
7 200
2 000
2
9 000
2 500
2,5
10 800
3 000
3
12 600
3 500
3,5
14 400
4 000
4
18 000
5 000
5
21 600
6 000
6
25 200
7 000
7
28 800
8 000
8
36 000
10 000
10
40 300
11 180
11,18
45 000
12 500
12,5
54 000
15 000
15
72 000
20 000
20
Vzlet
Izmed bistvenih sestavnih momentov vesoljske vož­nje: vzlet, potovanje po vesolju in vrnitev na Zemljo (pristanek), bomo najprej obravnavali najpomembnejše-
41
ga, namreč vzlet, saj slednji kar največ zahteva od pogonskih možnosti, ima pa tudi odločilen pomen za gradnjo celotnega vozila.
Glede izpeljave gibanja v vesoljskih težnostnih poljih pa imamo že od vsega začetka v mislih" dve temeljni možnosti: »pokončni vzlet« in »položni vzlet«.
Pri pokončnem vzletu se vozilo dviga bolj ali manj navpično. Zahvaljujoč gonilni sili povratnega sunka, hi-
sl. 19. Navpični vzlet - »pokončni vzlet« - vesoljske rakete.
Maß für die Steiggeschwindigkeit in den verschiedenen Höheen - merilo za hitrost vzpenjanja za različne višine; Steiggeschwindigkeit = 0 - hitrost vzpenjanja = 0; Steiggeschwindigkeit = »Steig - Höchstgeschwindigkeit« - hitrost vzpe­njanja = »največja hitrost vzpenjanja«.
* Glei stran 19.
42
trost vzpenjanja najprej raste, začenši pri nič (sl. 19), in sicer tako dolgo, dokler ne postane tako velika - takrat jo bomo imenovali »največja hitrost vzpenjanja« -t da se pogon izključi, nadaljnji vzlet do nameravane višine pa poteka samo še zaradi delovanja žive sile, ki se je, kot pri »navpičnem metu«, nakopičila v vozilu.
Narobe pa se pri položnem vzletu vozilo ne vzpenja navzgor, pač pa bolj ali manj poševno, pri tem pa je manj pomembna dosežena višina, kot pa dosežena vodoravna hitrost, ki jo bo vozilo povečevalo tako dolgo, dokler ne bo doseglo obhodne hitrosti, ki je potrebna za prosto lebdenje, z njo vred pa tudi »stabilno lebdenje« (sl. 5 in 20). Bolj natančno se bomo s tem načinom vzletanja ukvarjali kasneje.
Še prej pa nameravamo raziskati vprašanje, kaj je z izkoristkom med vzletom: kakor vzlet lahko vselej izvede-
Sl. 20. »Položni vzlet« vesoljske rakete. Za vzlet porabljena energi­ja je v tem primeru najmanjša.
'Aufstiegskurve (eine Ellipse oder Parabel) — krivulja vzpona (elipsa ali
parabola);
Diese Höhe soll möglichst gering sein! - ta višina naj bo kar najmanjša!; 'Erddrehung - vrtenje Zemlje; Erde - Zemlja; Freie-Kreis, Umlaufbahn - prosti krožni obhodni tir; Lotrichtung - navpična smer; Schiefe Startrichtung - poševna startna smer.
43
mo, lahko postopno dosežemo končno hitrost, kar pome­ni, da bo potovalna - (vzpenjalna) — hitrost spočetka manjša, kasneje (nad višino za končno hitrost) pa bo večja od odrivne. V skladu z njo se mora spreminjati tudi izkoristek povratnega sunka med dvigovanjem s pogo­nom, saj je že po naših prejšnjih ugotovitvah odvisen od vsakokratnega razmerja med velikostjo potovalne in odrivne hitrosti (glej tabelo 1, stran 35). Zatorej bo spočetka majhen, z naraščanjem hitrosti dvigovanja pa se bo večal, dokler ne bo dosegel maksimuma (kolikor je končna hitrost, ki jo je treba doseči, dovolj velika), nato pa bo začel upadati.
Če si hočemo v teh okoliščinah ustvariti sliko o stopnji izkoristka, moramo upoštevati »srednji izkoristek povratnega sunka« r\rm, ki nastane med delovanjem pogo­na. Zlahka pa spoznamo, da bo ta po eni strani odvisen od odrivne hitrosti c, ki jo bomo v vsej pogonski periodi obravnavali kot konstantno, po drugi strani pa od končne hitrosti v', ki jo dosežemo na koncu pogonske periode.
Pojasnilo nam nudi obrazec
s katerim smo napravili Tabelo 4. V njej je prikazan srednji izkoristek povratnega sunka iz razmerja med končno hitrostjo v' in odrivno hitrostjo, ki prevladuje
med pogonsko fazo, torej —. V pogonski fazi, pri kate-
ri dosežena končna hitrost v' znaša 3000 metrov na
sekundo (torej — =1) in pri odrivni hitrosti c = 3000
44
Tabela 4
Razmerje med končno hitrostjo v' in odrivno hitrostjo c:
»
v
C
Srednji izkoristek povratnega sunka rJrm med fazo pospeševanja
C
Vm =- Y]rm v odstotkih
v'
ec-l
0
0
0
0,2
0,18
18
0,6
0,44
44
1
0,58
58
1,2
0,62
62
1,4
0,64
64
1,59
0,65
65
1,8
0,64
64
2
0,63
63
2,2
0,61
61
2,6
0,54
54
3
0,47
47
4
0,30
30
5
0,17
17
6
0,09
9
7
0,04
4
45
metrov na sekundo, bi znašal srednji izkoristek povratne­ga sunka 58 odstotkov, 30 odstotkov pa pri končni
hitrosti 12 000 metrov na sekundo (torej — = 4) itd. V po-
c
gonski fazi, v kateri bi končna hitrost v' dosegla 4470 metrov na sekundo, bi v ugodnih okoliščinah, t. j. pri
— = 1,59, slednji dosegel celo 65 odstotkov.
Na vsak način pa spoznamo, da je izkoristek med vzletom še vedno ugoden, kijub nihanju razmerj a
— med potovalno in odrivno hitrostjo, c
Poleg tega, v vsakem pogledu zanimivega problema izkoristka, pa obstaja še neko drugo, za vzlet odločilno vprašanje. Takoj po opravljenem startu, ko se bo vozilo ločilo od svoje opore (trdne podlage, obešala, vodne gladine, startnega balona), se bo opiralo le še na lasten pogon (sl. 21), kar pa je - v skladu z naravo povratnega sunka — povezano s porabo dela, torej s porabo pogonskih snovi. Zaradi tega se bo povečala potrebna količina pogonskih snovi za dodatno, ne j^epomembno količino. To pa se bo nadaljevalo vse dotjej, dokler ne bo vozilo doseglo največje hitrosti vzpenjanja, če gre za pokončni vzlet, ali pa največje vodoravne obhodne hitrosti pri položnem vzletu. Kolikor prej pa ju bo doseglo, toliko krajši bo čas, med katerim je treba vozilo poganjati, toliko manjša pa bo hkrati tudi poraba pogonskih snovi.
46
Sl. 21. Dokler je med vzpenjanjem potreben pod vozilom pogon (podpora), se zmanjšuje sama goneča sila s težo vozila.
'Abstoßungsrichtung (Auspuff) - smer odrivanja (izpuha); Fahrtrichtung (Aufstieg) - smer premikanja (vzpenjanje); Gesamter Rückstoß — celokupni povratni sunek; Gewicht des Fahrzeuges - teža vozila; 'Restlicher, beschleunigend wirkender Auftrieb - preostali vzgon, ki deluje
pospeševalno.
Zategadelj si moramo prizadevati, da pri vzletu kar najhitreje dosežemo veliko hitrost.
Kaj kmalu pa se pri vesoljskih ladjah, ki bi bile primerne za prevoz človeka, pojavi neka omejitev. Ne le s prosto igro masnih delcev doseženim, pač pa (kakor v primeru našega pogona) pri vsiljenem prirastku hitrosti, ima pospeševanje, ki je s tem v zvezi, vselej za posledico osvobajanje masnih delcev, to pa pomeni za vozilo pove­čanje teže pri vzletu (sl. 22). Da pospeševanje ne bi bilo škodljivo za zdravje potnikov, ne bo smelo prekoračiti določene mere. Primerjalne študije, ki sta jih opravila tako Oberth kakor tudi Hohmann, pa tudi dosedanji poskusi pri letalstvu (npr. vijačni leti) dopuščajo domne-
47
Sl. 22. Med trajanjem pogona se zaradi povzročenega pospeševanja (prirastka hitrosti) vozila, v njem prebudijo vztrajnostne sile, ki se na vozilu izražajo kot povečanje teže.
'Gesamte Erhöhte Schwerewirkung (gleich der gesamten Rückstoßkraft des Antriebes) - Celokupno povečano delovanje teže (enako celokupni moči
povratnega sunka pogona); 'Massentragheitskraft - vztrajnost mase; 'Normales Gewicht - normalna teža; Rückstoß - povratni sunek; Wirkliche Steigbeschleunigung — dejanski pospešek pri vzpenjanju.
vo, da je pri navpičnem vzletu še dopusten navpični pospešek 30 m/s2. Učinek težnosti, ki bi ga v tem primeru prestajala vozilo in njegova vsebina med delovanjem pogona, bi bil štirikrat večji od običajnega zemeljskega. Ali z drugimi besedami, noge bi nosile štirikratno težo telesa. Zategadelj pa bi smela faza vzletanja trajati komaj nekaj minut, ki bi jih morali potniki preležati, v ta namen pa predlaga Oberth viseče mreže.
48
Upoštevajoč te omejitve glede pospeška pa je možno pri navpičnem vzletu vesoljske ladje z moštvom doseči največjo hitrost vzpenjanja, ki je potrebna za popolno odcepitev od Zemlje, nekako na višini 1600 km. Hitrost bi znašala kakih 10000 metrov na sekundo, dosegli pa bi jo v nekaj več kot 5 minutah. Enako dolgo mora delovati tudi pogon. Glede na prej povedano, je treba v tem času vozilo poganjati, pri čemer moramo premagovati še upor zemeljskega zračnega ovoja. Oboje pa ne povzroča pove-čane porabe dela, zato bo končno za vzlet in vse do popolne odcepitve od Zemlje celotna poraba dela tako velika, kot če bi bila vozilu v celoti podeljena idealna največja hitrost, torej kakih 13 000 metrov na sekundo. Slednja (ne pa dejanska največja hitrost vzpenjanja) v tem primeru odloča o potrebni količini pogonskih snovi.
Še bolje pa je, če vzlet ne poteka navpično, pač pa v poševni krivulji, še zlasti, ako si ob tem prizadevamo, da dosežemo prosto obhodno gibanje okoli Zemlje tako blizu zemeljskega površja (morda kakih 60 do 100 kilo­metrov nad morsko gladino), kot še dovoljuje zračni upor, želeno višino ali pa največjo hitrost, ki je potrebna za popolno odcepitev od Zemlje (»položni vzlet«, sl. 20) pa skušamo doseči šele potlej, in sicer s povečevanjem obhodne hitrosti. Prednost poševne smeri vzletanja je v tem, da zemeljska teža ne nasprotuje z vso silo pogonu (sl. 23), zato pa pride do velikega dejanskega pospeška, in sieer pri enakem idealnem pospeševanju (enakem pogonu), kar je, upoštevajoč prej povedano, iz zdravstve­nih razlogov omejeno. Zategadelj tudi prej dosežemo potrebno hitrost za dvig.
Kolikor mogoče hiter prehod v prosto obhodno giba­nje pa povzroča, da se vozilo samo po sebi zelo hitro (in sicer zaradi sredobežnosti, ki nastane pri tem) odtegne zemeljski težnosti.
4 Problem vožnje po vesolju
49
sl. 23. Mnogokotnik pospeševanja za: 1. navpično, 2. poševno in
3. vodoravno vzpenjanje. Zelo razločno vidimo, da je kljub nespremenjenemu idealnemu pospeševanju (jakosti pogona), dejanski pospešek od 1. do 3. vedno večji. (Mnogokotnik za 2. smo označili šrafirano.)
Idéele Beschleunigung — idealno pospeševanje; 'Richtung des wirklichen Aufstiegs - smer dejanskega vzpenjanja; 'Schwerebeschleunigung — težnostno pospeševanje; 'Wirkungsrichtung der Antriebes - smer delovanja pogona.
Zaradi obeh okoliščin pa se skrajša čas, v katerem mora pogon vozilo nositi, kar pomeni v bistvu štednjo energije. Zato znaša po Oberthu za popolno odcepitev od Zemlje idealna največja hitrost, ki jo pri vzletu podelimo vozilu, le kakih 12000 metrov na sekundo. Če vzamemo kot idealno največjo hitrost 12 500 metrov na sekundo, pa se po piščevem mnenju utegnemo še najbolj približati temu, kar je dejansko praktično dosegljivo.
Dviganje, kakršnokoli je že, pa vsekakor zahteva moč­no pospeševanje, zatorej doseže vozilo potrebno hitrost že na višini nekaj kilometrov.
50
V nizkih zračnih plasteh blizu Zemlje ima to dejstvo za posledico, daje zračni upor v prvem delu leta resnično neugodno velik, kar še zlasti velja za raketo brez moštva; ker pa v tem primeru odpadejo zdravstvene ovire, je lahko pospešek pri vzletu dosti večji kot pa pri vozilih s posadko.
Ako bi se hoteli izogniti tej nevšečnosti, bi morali startno mesto predstaviti na kolikor mogoče visoko leže­čo točko, npr. na startni balon, na drugo zračno vozilo, ali pa na primerno visoko goro. Če pri velikih vesoljskih ladjah, zaradi njihove teže, starta nočemo izvesti kar na običajen način, pride v poštev le zadnja možnost.
Splošno o gradnji vesoljske rakete
Zahteve do vozila se bodo morale skladati z nameni in cilji potovanja z vesoljsko ladjo, saj so ti od potovanja do potovanja drugačni. Tudi pri vesoljskih ladjah je treba, kakor pri dosedaj znanih prometnih sredstvih, prilagoditi gradnjo vsakokratnim posebnostim potova­nja. Vsekakor pa bodo imele vse vesoljske ladje tako skupne stalnice, ki določajo gradnjo, kakor tudi podoben izgled.
Zunanja oblika vesoljske ladje bo morala biti podobna izstrelku. Za premagovanje zračnega upora pri velikih hitrostih, ki jih dosežemo že znotraj ozračja (doslej smo to hitrost imenovali izstrelitvena hitrost) je ta oblika še naj primernej ša.
Notranjost raketnih vozil je odvisna od uporabljenih pogonskih snovi. Zategadelj moramo od teh zahtevati:
1. Da z njim dosežemo kar največjo izpušno hitrost, saj smo že prej spoznali, da potrebujemo kar največjo potisno hitrost pospešenih mas.
4*
51
2. Da imajo pogonske snovi čim večjo gostoto (speci­fično težo), ker bi tako potrebovali za prevoz potrebne količine snovi razmeroma majhno skladišče. Zategadelj se bo po eni strani zmanjšala teža skladišča, po drugi strani pa bo manjša tudi izguba, ki nastane zaradi zračnega upora.
3. Da je način sežiga pogonskih snovi, pri katerem bi nastajala kolikor toliko stalna pogonska sila, kar najpri­mernejši.
4. Da povzroča ravnanje z njimi čim manj nevšeč­nosti.
Podobno kot pri ognjemetnih raketah, bi se tem pogojem še najbolj približala uporaba kateregakoli smodnika ali podobnih sredstev, torej uporaba trdne pogonske snovi. Na ta način bi bilo možno izdelati tudi naprave, ki bi služile za kak drug namen, še posebej pa naprave, ki si utirajo pot v vojni tehniki, o čemer bomo podrobneje govorili še kasneje.
Za vožnjo po vesolju, še zlasti, če bi šlo za prevoz človeka, pa bi za nadaljnji razvoj utegnila nuditi uporaba tekočih pogonskih snovi kar največ možnosti, in to kljub tehničnim nevšečnostim, ki pri tem nastanejo, kar bomo kasneje še podrobneje razložili.
Najvažnejši deli vesoljske ladje na tekoče pogonske snovi so: pogonska naprava, skladišče za pogonske snovi, prostor za potnike in sredstva za pristajanje.
Pogonski motor je gonilna naprava vesoljske ladje. Motor ustvarja povratni sunek, in sicer tako, da spremi­nja v pogonski snovi nakopičeno energijo v pogonsko delo. Zato mora biti pogonska snov natovorjena tako, da jo je mogoče tudi sežgati in jo izpuhniti navzven. Ponu­jata se dve načelni možnosti, in sicer:
1. V sežigalnem prostoru je vseskozi enaka tlačna napetost. Zategadelj je treba pogonsko snov vbrizgniti v
52
sežigalni prostor tako, da premagamo ta tlak. Zatorej bomo na tak način delujoče motorje imenovali »enako-tlačni raketni motorji«.
2. Sežig poteka tako, da v zgorevalni prostor v na­glem zaporedju sproti dovajamo pogonsko snov, le-ta v njem eksplodira, zaradi česar se tudi v celoti izpuhne. V tem primeru lahko pogonsko snov dovajamo brez predna-pona. Zategadelj bomo imenovali te motorje »eksplozij­ski« raketni motorji.
Glavni deli enakotlačnega raketnega motorja so: seži­galni prostor, imenovan tudi »peč«, in nanj priključene »šobe« (sl. 24), katerih število določa potreba.
sl. 24. Prostor za izgorevanje ali »peč« in »šobe« so poglavitni sestavni deli enakotlačnega raketnega motorja.
'Ausströmende Verbrennungsgase - na prosto drveči plini ob izgorevanju; Einströmender Betriebstoff z. B. Brennstoff u. Sauerstoff - vbrizgana pogonska snov, npr., gorivo in kisik; Ofen (Verbrennungsraum) - peč (prostor za izgorevanje); Rückstoß - povratni sunek.
Način delovanja je sledeč: pogonsko snov (gorivo in kisik) vnesemo v pravilnih okoliščinah in pod primernim pritiskom v peč, kjer se sežge. Pri tem se spremeni v njej kemično vezana energija v toploto, - zaradi temperature, ki se pri tem zviša, pa v tlačno napetost v peči nastalih in v njej zaprtih plinov. Zaradi tlaka drvijo ti plini skozi šobo, pri tem pa dosegajo hitrost, ki smo jo že prej
53
imenovali »izpušna hitrost«. Pospešek, ki je povezan s to dodelitvijo hitrosti plinskim molekulam, pa ima za posle­dico nastop nasproti delujoče sile vztrajnosti mase (pro-tisunek, kot pri odrivanju predmeta!*), njun seštevek pa bo sila »povratnega sunka« (sl. 24), ki bi naj potisnil vozilo naprej, in sicer na že opisani način.** In tako bomo iz energije, ki je kemično vezana v pogonski snovi, preko toplote, tlaka in pospeška dobili pogonsko delo.
Za nemoten potek tega procesa je treba poskrbeti, da v peč priteka vedno novo gorivo. Zategadelj je potrebno, kar smo že omenili, da je gorivo, ki priteka v peč, pod določenim stalnim pritiskom. Take okoliščine pa bi vse­kakor morale biti že v skladišču, zatorej bi morale biti stene skladišča dovolj debele, kar pa bi pri večjih skladi­ščih povzročalo nevšečnosti. Razpolagati bi morali tudi s tlačilkami, s katerimi bi v pogonskih tekočinah ustvarili primeren tlak.
Zelo uporabna bi bila tudi izparilnik in razpršilnik ali kakšne druge njima podobne naprave, s katerimi bi pogonske snovi, ki bi jih ponesli s seboj, spravili v obliko, ki bi bila najprimernejša za sežig. Končno pa bi bilo treba poskrbeti tudi za hlajenje peči in šob, za regula­cijo itd.
Celotno uravnavanje je v marsičem podobno postop­kom pri enakotlačni plinski turbini. Tako kot pri njih, se tudi tu pojavi vprašanje primernega, za visoke tempera­ture odpornega materiala in najprikladnejše izvedbe hlajenja sežigalnega prostora ter šob. Vendar pa tu odpade sicer zelo zahtevno vprašanje pravšnjih kompre­sorjev.
Eksplozivni raketni motor je s svojim prilagojenim turbinskim načinom v marsičem podoben izgorevalnim
* Glej strani 25 in 26, sl. 12. ** Glej stran 27.
54
(eksplozijskim) plinskim turbinam. Kakor pri teh, si je treba prednost lažjega dovajanja pogonskih snovi tudi v našem primeru pridobiti s slabšim toplotnim izkorist­kom in zapletenejšo izvedbo.
Kateri konstrukcijski način pa bo imel dejansko pred­nost, lahko pokaže šele bodoči razvoj raketnih motorjev. Po vsej verjetnosti bo delno odvisen od vsakokratnega namena.
Vse to pa ni dovolj, če hočemo imeti motor, ki bi bil uporaben tudi v popolnoma praznem prostoru. Obstajati mora še možnost, da ponesemo s seboj v vesolje potrebno količino energije v obliki pogonskih snovi, zatorej stojimo pred odločilnim vprašanjem o načinu gradnje skladišča za pogonske snovi.
Kakšna bo končna količina s seboj vzetih pogonskih snovi? Vemo, da pogon v raketnem motorju nastane tako, da slednji odriva del lastne mase (v našem primeru pogonske snovi v plinastem stanju). Začetna masa vozila (to je, njegova celokupna masa v startnem položaju) se bo, ko bo pogon deloval že nekaj časa, zmanjšala za (za odrivanje) porabljeno količino pogonskih snovi, in tako dalje, vse do končne mase (sl. 25). Slednja torej predstav­lja skupno težo, ki jo je treba prenašati s porabljeno množino pogonske snovi, sestoji pa se iz koristnega tovora, vozila samega in preostanka pogonskih snovi.
Vprašanje se sedaj glasi (sl. 26): Kolikšna mora biti začetna masa MQ, ako naj bi pri nespremenjeni izpušni hitrosti c, nastalo gibanje določene končne mase M? Odgovor prinaša raketna enačba:
v c
M0 = 2,72 M.
55
dalee