lahko spoznamo: s kolikor večjo hi trostjohočemo odriniti telo, toliko večjo silo moramo za to uporabiti; po prej povedanem bo tudi toliko večja sila, ki bo delovala na nas, to pa je povratni sunek, ki nastane prav zaradi odrivanja te mase.
Priporočljivo je torej, da ne odrivamo večjih delov mas v dolgih časovnih presledkih, pač pa kolikor mogoče majhne mase v neprekinjenem sledu. Zakaj to pripomore k zmanjševanju potiskujoče mase, izhaja iz preračuna­vanj, ki pa jih tu, kljub vsemu, ne moremo navajati. Vsekakor pa je razumljivo, da je slednje toliko bolj važno, ker poteka pogon na povraten način, kar bi sicer utegnilo biti škodljivo za vozilo in za vse, kar je v njem. Zatorej je praktično uporabna le takšna, nenehno delujo­ča pogonska sila.
Rakete
Vse naštete pogoje najbolje izpolnimo, kadar izvede­mo masni odriv tako, da primerno snov, ki jo vozilo nosi s seboj, vžgemo, pri tem nastale pline pa usmerimo skozi »izpuh«. Snovi tako v kar najmanjših delcih (molekule pri gorenju nastalih plinov) povzročijo odriv, pri sežiga­nju osvobojena in v plinski tlak pretvorjena energija pa pri tem poskrbi za »notranjo silo«.
V najpreprostejši izvedbi predstavlja takšno vozilo ognjemetna raketa (sl. 15). Njen namen je, da izvede tako imenovani »umetniški skok«. Gre za različne predrpete pri ognjemetu, ki na določeni višini zagorijo, da bi bodisi razveseljevali oko s prekrasnim ognjemetom, bodisi da bi (npr. pri vodenju bitke) služili za svetlobno signali­zacijo.
Premo gibanje (vzpenjanje) takšne za ognjemet name­njene rakete povzročimo s smodniškim nabojem, ki ga
29
sl. 15. Vzdolžni prerez ognjemetne rakete. Nanjo je pritrjena palica, ki preprečuje, da bi se raketa ne prevrnila.
Ausströmende Verbrennungsgase - iztekajoči plini, ki so nastali pri go­renju;
Kunstsatz - ognjemetni stavek; Rückstoß der ausströmenden Verbrenungsgase - povratni sunek plinov pri
izgorevanju; 'Stab - palica;
'Verbrennung des Treibsatzes - izgorevanje pogonskega stavka.
nosi raketa s seboj. Tega je treba ob startu zažgati, da potem izgoreva med počasnim vzpenjanjem, ko nastali plini uhajajo nazaj (navzdol), pri tem pa - zaradi delova­nja povratnega sunka - nenehno ustvarjajo h prednjemu koncu rakete usmerjeno silo, in sicer na način, ki smo ga že opisali.
30
Seveda bi morala raketa, ki bo služila kot vesoljsko vozilo, izgledati bistveno drugače kot preprosta raketa za ognjemet.
Dosedanji reševalci problemov vožnje po vesolju
Misel, da bi utegnilo biti načelo povratnega sunka uporabno za pogon vesoljskih vozil, ni nova. Že leta 1660 je v svojih romanih Francoz Cyrano de Bergerac razpletal vsekakor fantastično pripoved o potovanjih z vesoljskimi vozili, ki so jih vzdigovale rakete. Ne dosti kasneje je znani angleški učenjak Isaac Newton na že znanstven način opozoril na možnost, da bi se mogli s pojavom povratnega sunka pomikati tudi v brezzračnem prostoru. Leta 1848 je Anglež Charles Golightly prijavil patent za letalni stroj na raketni pogon. Podobne predloge je leta 1890 v javnosti priobčil Nemec Hermann Ganswindt, nekaj let za njim pa še Rus Ciolkovski. Tudi znani francoski pisatelj Jules Verne je v eni od svojih povesti mimogrede opozoril na že namensko uporabo raket za premikanje. Zelo razločno pa je prišla do izraza zamisel vesoljske ladje na raketni pogon v romanu nemškega fizika Kurta Lasswitza.
Pač pa so se resnejši znanstveni premiki v zvezi s tem problemom pojavili šele v novejšem času in malone hkrati z več strani: leta 1919 je na to temo izšlo delo ameriškega profesorja dr. Roberta Goddarda. Leta 1923 sledi delo saškega profesorja Hermanna Obertha iz Sed-mograškega. Leto 1923 je prineslo splošno razumljivo delo munchenskega pisatelja Maxa Vallerà, leto 1925 pa študijo essenskega inženirja dr. Walterja Hohmanna. Leta 1926 so sledile objave dunajskega kemika dr. Pranza
31
Edlerja von Hoeffta. Leta 1925 in 1927 pa so izšli spisi ruskega profesorja Ciolkovskega.
V zadnjih letih je izšlo tudi nekaj novih romanov, ki temeljijo na izsledkih zgoraj naštetih novejših znanstve­nih del, ki obravnavajo probleme v zvezi z vožnjo po vesolju, med njihovimi avtorji posebno izstopa Otto Willi Gail
Še preden se spustimo v pretres različnih, do sedaj znanih predlogov, pa moramo povedati še kaj o temeljih tehnike vožnje in gradnje vesoljskih raketnih vozil.
Potovalna hitrost in izkoristek pri raketnih vozilih
Pri vozilih na povratni sunek je zlasti pomembno, da je pri njih potovalna hitrost na splošno že določena, in da je ne moremo izbrati samovoljno.
Ker pa je gibanje takšnega vozila odvisno od odriva­nja delov lastne mase, mora biti ta postopek urejen tako, da po opravljenem odrivu vse mase oddajo vozilu kar največ energije; saj je to, kar odnesejo s seboj, za vselej izgubljeno Takšna energija ustvarja med drugim živo silo, ki je v vsakem gibajočem se telesu. Te sile pa naj ne bi bilo več v odbitih masah, ki po opravljenem odrivu v okolici (ali še bolje, glede na stanje pred odrivom) ob mirujejo.
Če pa hočemo to doseči, mora biti potovalna hitrost enaka odrivni; namreč prav ta bo odpravila hitrost, ki so jo imele mase kot deli vozila pred odrivom, s hitrostjo, ki jim je bila podeljena pri odrivu v nasprotni smeri (sl. 16). Zaradi odriva dosežejo ti delci relativno mirovanje in tonejo kot prosto padajoča telesa v globino.
32
Sl. 16. Hitrost pomikanja je enaka hitrosti odrivanja. Zato je po odrivu hitrost odrinjene mase enaka nič, s slike pa je razvidno, da le-te padajo navpično navzdol.
Abgestoßene Massen - odrinjene mase; 'Abstoßgeschwindigkeit - odrivna hitrost; Fahrgeschwindigkeit - hitrost pomikanja; Wagen mit Rückstoßantrieb - vozilo s pogonom na povratni sunek.
Sl. 17. Hitrost gibanja je manjša (zgornja slika) ali večja (spodnja slika) kot odrivna hitrost. V odrinjenih masah je po opravljenem odrivu še vedno del njihove odrivne hitrosti (zgornja slika) ali hitrosti gibanja (spodnja slika), kar moramo na sliki razbrati iz dejstva, da padajo poševno h tlom.
Abgestoßene Massen - odrinjene mase; Abstoßgeschwindigkeit - odrivna hitrost; 'Wagen mit Rückstoßantrieb - vozilo na povratni sunek.
3 Problem vožnje po vesolju
33
Le tako s povratnim sunkom ne izgubljamo energije, sam povratni sunek pa deluje s stoodstotnim (mehanič­nim) izkoristkom (sl. 16). Ko pa bi bila potovalna hitrost manjša ali večja od odrivne, bi bil tudi »izkoristek povratnega sunka« temu ustrezno manjši (sl. 17), ničen pa, če bi vozilo ob delujočem pogonu mirovalo.
Vse skupaj najlaže preverimo z računom, zaradi odlo­čilnega pomena izkoristka, ki ga dobimo pri raketnem vozilu, pa nameravamo prav to tudi storiti. Ako uporabi­mo v tem primeru »razmerje med dobljeno in porabljeno energijo« kot obči izraz za izkoristek* dobimo obrazec
kot izraz za izkoristek povratnega sunka v za vsako razmerje med potovalno hitrostjo v in odrivno hitrostjo c.
pri čemer je m opazovana odrivna masa, (c—v) pa njena hitrost po odrivu, (saj ta predstavlja tudi po tem, kar smo že povedali, za vozilo izgubljeno živo silo).
34
Tabela 1
Razmerje med
potovalno hitrostjo v in odrivno hitrostjo c v
c
Izkoristek povratnega sunka r(r
v
l)r = (2— )" C C
T)r zaokrožen na odstotek
0
0
0
0,01
0,0199
2
0,05
0,0975
10
0,1
0,19
19
0,2
0,36
36
0,5
0,75
75
0,8
0,96
96
1
1
100
1,2
0,96
96
1,5
0,75
75
1,8
0,36
36
2
0
0
2,5
- 1,25
- 125
3
- 3
- 300
4
- 8
- 800
5
- 15
- 1500
V Tabeli 1 so iz zgornjega obrazca izračunani izkorist­ki za različne vrednosti razmerja -. Ako bi bilo na primer
razmerje-=0,1 (t.j. v = 0,lc, in bi potovalna hitrost c
znašala le 1/10 odrivne), bi znašal izkoristek povratnega sunka samo 19 odstotkov; pri - = 0,5 (torej, kadar je po­tovalna hitrost 1/2 odrivne), bi znašal že 75 odstotkov in
3* 35
pri — = 1 (potovalna hitrost je enaka odrivni) pa bi bil - v
skladu s prejšnjim razmislekom - celo stoodstoten. Ako
pa bi bilo razmerje — večje kot 1 (potovalna hitrost torej
presega odrivno), bi se začel izkoristek povratnega sunka zmanjševati in bi drugič dosegel nič, pri potovalnih hitrostih, ki bi bile več kot dvakrat večje kot odrivne, pa bi bil celo negativen.
Ker namreč vozilo pri odrivu pridobi na potovalni hitrosti in s tem navidezno tudi na živi sili, se nam to zdi na prvi pogled paradoksalno! Ker pa v tem primeru prevlada nad energijsko pridobitvijo odtok energije, ki nastane pri odrivu, zaradi odrinjenih mas, ki vsebu­jejo zaradi velike hitrosti mnogo žive sile, nastane za vozilo — navzlic dejstvu, da je njegova hitrost pove­čana - izguba energije, ki se matematično izraža celo v negativnem predznaku izkoristka. Vendar pa ima slednje ob izkoristkih, ki izhajajo iz velikih vrednosti razmerja
—, bolj ali manj le teoretično vrednost.
Iz tabele pa zelo jasno in razločno spoznamo, kako koristno in pomembno je, če hočemo doseči dober izkori­stek pri povratnem sunku, da se potovalna hitrost kolikor mogoče približa odrivni, pri čemer pa določene razlike (celo do v = 0,5 c ali v= 1,5 c) le niso toliko pomembne, saj je nihanje izkoristka v bližini maksimuma precej neznatno. Zategadelj lahko trdimo, da je gospodarna potovalna hitrost rakete nekako med 1/2 in 1 V2-kratno vrednostjo njene odrivne hitrosti.
Če pa je to vozilo na povratni sunek, kakor v našem primeru, raketa, in nastaja masni odriv natovorjenih snovi prek primernih izgorevalnih in izpušnih vodov, mora biti pri njej, v skladu z nedavno spoznano zahtevo,
36
SI. 18. Pri raketnem vozilu mora biti potovalna hitrost kolikor je mogoče enaka izpušni hitrosti.
'Ausgepuffte Verbrennungsgase - izpuhnjeni plini pri izgorevanju; 'Auspuffgeschwindigkeit - izpušna hitrost; Fahrgeschwindigkeit — hitrost gibanja; Wagen mit Raketenantrieb — voziček na raketni pogon.
potovalna hitrost kolikor mogoče enaka izpušni (sl. 18). Iz tega pa sledi, da se potovalna hitrost na nek način ravna po količini vsakokrat potrošenih pogonskih snovi, in da je sleherni količini lastna druga, kar najbolj doseg­ljiva izpušna hitrost.
Ta temeljna zahteva tehnike vsake vožnje pa je odlo­čilna glede možnosti uporabe raketnih vozil, ker bi pač morala biti odrivna hitrost, glede na prej povedano, kar se da velika. Ako naj bi bil izkoristek za praktično uporabo dovolj velik, bi izpušne hitrosti, ki bi prišle v poštev, dejansko znašale nekaj tisoč metrov na sekundo, zato pa bi morala biti potovalna hitrost temu primerno velika, in sicer tako ogromna, da ne bi prišla v poštev pri nobenem do sedaj znanem vozilu.
Iz Tabele 2 jasno razberemo izkoristke za posamezne važnejše potovalne hitrosti (navedene so v 1. stolpcu) pri različnih odbojnih hitrostih.
Iz 2. stolpca tabele, ki predstavlja nekatere izkoristke povratnega sunka, pa razberemo, kako malo gospodaren bi bil raketni pogon za naša dosedanja vozila, saj znaša njihova največja hitrost le nekaj sto kilometrov na uro.
37
00
Tabela 2
1
2
3
Skupni izkoristek
pogona vozila,
Potovalna
Izkoristek povratnega sunka
če je pogonska
hitrost v
T]r= (2—)-c c
snov benzol in tekoči kisik
izražen v odstotkih, in sicer za naslednje odrivne hitrosti c v m/s
km/h
m/s
1000
2000
2500
3000
3500
4000
5000
2000
3500
40
11
2,2
1.2
0,9
0,7
0,6
0,5
0,4
0,2
0,4
100
28
4,6
2,8
2,2
1,8
1,6
1,4
1,2
0,6
1
200
56
11
5,5
4,5
3,8
3,2
2,8
2,2
1,1
2
300
83
16
8
6,5
5,5
4,7
4
3,4
1,6
3
500
140
26
13
11
9
8
7
5,5
2,7
5
700
200
36
19
15
13
11
10
8
4
7
1 000
300
51
28
23
19
16
14
12
6
10
1 800
500
75
44
36
31
27
23
19
9
17
3 600
1 000
100
75
64
56
50
44
36
15
31
5 400
1 500
75
94
84
75
67
60
51
19
42
7 200
2 000
0
100
96
89
81
75
64
20
50
9 000
2 500
- 125
94
100
97
92
86
75
19
57
10 800
3 000
- 300
75
96
100
98
94
84
15
61
12 600
3 500
- 525
44
84
97
100
99
91
9
62
14 400
4 000
- 800
0
64
89
98
100
96
0
61
18 000
5 000
- 1500
- 125
0
56
81
94
100
- 25
50
21 600
6 000
- 300
- 96
0
50
75
96
- 61
31
25 200
7 000
- 520
- 220
- 77
0
44
70
- 111
- 40
28 800
8 000
- 800
- 380
- 175
- 64
0
64
- 160
- 40
36 000
10 000
- 1500
- 800
-440
-250
- 125
0
-300
- 160
45 000
12 500
- 1500
-900
-560
-350
- 125
-350
Še bolj pa nas to dejstvo zbode v oči, če vzamemo v poštev skupni izkoristek, ki je naveden v 3. stolpcu. Slednjega dobimo, če upoštevamo še izgube, ki so že tako ali tako povezane z odrivno hitrostjo, ki nastane v izgore-valniku pogonskih snovi in v izpušniku, iz česar sledi, da praktično dosežemo vselej le manjšo izpušno hitrost kot bi bila pri določenih pogonskih snoveh v najboljšem primeru teoretično dosegljiva. Pri tem nastali izkoristek, ki ga bomo kasneje še pobliže obravnavali,* pa se utegne povzpeti vse do 60 odstotkov. Pri benzolu, na primer, bi pri 62-odstotnem izkoristku znašala izpušna hitrost 3500, pri 20-odstotnem izkoristku pa 2000 metrov na sekundo, za vsakega od obeh primerov pa prinaša 3. stolpec tabele 2 skupni izkoristek (ki sedaj znaša, glede na to, kar smo povedali, le 62 ali 20 odstotkov njemu pripadajoče vred­nosti v 2. stolpcu).
Iz teh številk smo spoznali, da je skupni izkoristek celo za potovalno hitrost, ki znaša nekaj sto kilometrov na sekundo, še vedno tako neznaten, da se, neglede na posebne namene, kjer vprašanje gospodarnosti ni po­membno, utegne vprašanje o nadaljnji praktični uporabi raketnega pogona za katerokoli običajno prometno sred­stvo na zemeljskih tleh komaj kdaj pojaviti.
Nekaj povsem drugega pa je, če pridejo v poštev velike potovalne hitrosti. Celo pri nadzvočni hitrosti, ki pa ni zelo velika, je izkoristek že razmeroma boljši, pri še večjih, malone kozmičnih hitrostih, ki znašajo nekaj tisoč metrov na sekundo (in celo do desettisoč kilometrov na uro), pa je izkoristek skrajno ugoden, kar sledi iz tabele 2.
Zato pa opazimo posebno ugodno naključje v dejstvu, da prav pri vesoljskih vozilih, pri katerih je povratni sunek edini primeren pogonski način, visoke potovalne hitrosti niso le možne (v praznem prostoru namreč ni
* »Notranji izkoristek« raketnega motorja, glej stran 63.
39
dalee