«Техника-молодежи» 1963 №11, с.34-36, вкл

Так — роскошным завтраком с бульоном, овощами, бифштексами, чаем и вином — отметили герои Жюля Верна Импи Барбикен, капитан Николь и Мишель Ардан начало своего путешествия из пушки на Луну.

Сегодня любой школьник знает, что завтрак, так красочно описанный Жюлем Верном, невозможен. В бокалах и чашках не осталось бы ни капли жидкости. Зато внутри космического корабля образовался бы неизвестный на Земле вид «чайно-бульонно-хмельного» тумана.

«Все должно быть на привязи. Даже... кушанье. Оно будет качаться на ниточке или описывать дуги, пачкать стол и физиономию соседа. Рыхлое, рассыпчатое будет при резании разлетаться в разные стороны, попадая то в нос, то в рот, то в глаза и уши, то в волосы и карманы соседей».

Это уже не фантаст, это ученый. Великий гений К. Э. Циолковского понимал трудности космического питания, но даже он не мог предвидеть всего того, с чем столкнулись космонавты наших дней.

Первые космические меню теперь известны всем.

В павильоне «Космос» Выставки достижений народного хозяйства можно увидеть яркие тюбики с соками и пюре, паштетами и шоколадом, которыми питались Юрий Гагарин и Герман Титов.

К полету Космонавтов-три и четыре в меню появилось уже много натуральных блюд. При этом, как известно, были даже учтены индивидуальные вкусы. А. Николаев и П. Попович питались в космосе котлетами и жареным мясом, куриным филе и пирожками с разнообразной начинкой, фруктами и даже сухой таранью...

Само собой разумеется, ранее испытанные питательные смеси-пюре и соки не были отвергнуты, но они потеряли свою «космическую монополию», заняв в рационе космонавтов гораздо более скромное место.

Полет Валерия Быковского и Вали Терешковой определил окончательно: космонавты могут питаться почти всеми привычными продуктами и блюдами, приготовленными по-особому — в виде небольших ломтиков, долек или пирожков, чтобы есть их, не откусывая и не производя целые рои крошек, о которых так красочно писал Циолковский.

Позволяет ли все это считать, что космический рацион создан, испытан и может быть рекомендован во всех случаях?

Конечно, нет! Обычная земная пища и на земле-то в дальнюю дорогу непригодна.
► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ►

С

огласно плану исследования Луны в январе прошлого года США предприняли очередной рывок в космос. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства сообщило о старте к Луне космического корабля «Рейнджер-111». В результате к многочисленным неудачам американцев прибавилась еще одна: «Рейнджер-111» не выполнил программы полета из-за отказа бортовой научной аппаратуры. Свинью землякам подложил Пентагон.

Ядерный взрыв в космосе создал искусственный пояс радиации, который вывел из строя солнечные батареи на борту. Приборы остались без источников питания.

Этот эпизод поучителен во многих отношениях и, в частности, тем, что, лишенная возможности «видеть» и «слышать», ракета уподобляется булыжнику, летящему со второй космической скоростью.

Явление эффектное, но бесполезное.

На советских автоматических станциях также используются солнечные батареи, причем самых разнообразных типов. Соединенные последовательно, чтобы получить достаточное напряжение и ток, фотоэлементы занимают 20 м² площади наружной обшивки. Для того чтобы повысить кпд, применяют многоэтажные батареи из фотоэлементов. Нижний этаж использует энергию той части солнечного спектра, которую пропускает верхний. В солнечных термоэлектрических батареях длинная цепь термопар также соединяется последовательно. Как только корабль миновал плотные слои атмосферы, выдвигается параболическое зеркало. Система ориентации разворачивает корабль «лицом» к солнечным лучам. Зеркало фокусирует лучи и направляет на один конец батареи. С другого конца батарея охлаждается. Так возникает разность потенциалов. ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ►

Р

аздался грохот, качнулась под ногами земля, и космический корабль, протянув за собой шлейф из огня и дыма, взмыл в просторы вселенной. Едва ли не каждый из находившихся в укрытии подумал в тот момент: какой же мощью должны обладать двигатели корабля, чтобы заставить многотонную громадину со все возрастающей скоростью приближаться к заданной орбите! Извечная проблема человечества — проблема топлива, видимо, не иссякнет никогда. На заре цивилизации люди поддерживали огонь в кострах, не давая ему погаснуть. Потом человек «приручил» огонь, открыл много других источников тепла. Сейчас ему понадобилось топливо для ракет. И оказалось, что ракетные двигатели могут «переваривать» самый широкий диапазон топлив. В принципе для них пригодно все, что может сгорать. Но любая пища прежде всего ценна своей калорийностью.

Чем больше тепла выделяет килограмм топлива за одну секунду, тем выше скорость истечения газов из сопел и значит выше удельная тяга — главный показатель, характеризующий «пищу ракет».

Самым старым из применяющихся и по сей день твердых ракетных топлив является порох. Конечно, это не тот порох, который в старину тоннами сжигался при устройстве фейерверков. Ракетный порох состоит из жидкого нитроглицерина и нитроцеллюлозы. По внешнему виду это тягучая вазелиноподобная масса.

Порох употребляют, когда нужно создать большую тягу в начальный момент запуска. Такие стартовые ускорители могут быть на самолетах с реактивными двигателями, работающими на другом топливе. Как самостоятельное топливо порох применяется в двигателях метеорологических ракет, баллистических снарядов, межконтинентальных баллистических снарядов и межконтинентальных баллистических ракет. Все они рассчитаны только на один запуск.

Пороховой реактивный двигатель отличается простотой. Здесь нет насосов и всей сложной системы подачи топлива, которая существует в жидкостных двигателях. Порох может гореть без специального окислителя, так как кислород содержится в нем самом. У пороха, однако, есть и недостатки: большой объем при относительно малом весе, и, следовательно, запасы его для продолжительных полетов весьма ограниченны. Камера сгорания и сопло порохового реактивного двигателя испытывают давление 200-300 атмосфер и температуры 2500— 3000°. Даже после непродолжительной работы во время запуска — всего лишь несколько секунд! — двигатель приходит в полную негодность.

1. ЧЕЛОВЕКУ

Каи показывают расчеты, космонавту требуется в год. 766,5 кг воды, 313,9 кг кислорода, 295 кг органического вещества. В дальние рейсы полетят экипажи из нескольких человек. Значит, количество потребных веществ возрастет в несколько раз. Где и как их хранить? В каком виде должны быть они приготовлены?

Однозначного ответа на этот вопрос дать нельзя. Все зависит от продолжительности полета. Сейчас специалисты различают следующие полеты в космос.

Кратковременные — в пределах 10-14 дней. Они допускают пользование всеми видами продуктов. Продукты стерильные, в пакетах и тубах.

Более длительные — от двух недель до нескольких месяцев. В этом случае простая консервация и стерилизация не помогают: слишком велики вес и объем продуктов. С целью их уменьшения сейчас применяется лиофилизация — консервирование путем замораживания и последующей возгонки в вакууме. При этом из натуральных продуктов извлекается почти вся вода. Лиофильные продукты полностью сохраняют все свои полезные качества: витамины, питательность, вкус, даже аромат. Чтобы придать им натуральный вид, достаточно намочить их в воде. Любое блюдо может быть изготовлено на земле в виде лиофильных консервов, а при опускании в горячую воду оно превратится в отличный суп, борщ, бифштекс или компот.

Причем в полетах продолжительностью до месяца новые консервы можно есть в сухом виде, запивая водой.

Проблема кругооборота воды станет существенной уже в этих полетах.

По-видимому, придется прибегнуть к регенерации конденсата и мочи.

Полеты длительностью от 6 месяцев до 1 года. Основой питания космонавтов могут оставаться лиофильные продукты, они только дополнятся хлореллой — 10-20% от веса пищи. Хлорелла же станет средством регенерации воздуха для дыхания, она будет поглощать углекислоту и выделять кислород.

Водоросли менее прихотливы, чем сухопутные растения, они выносливы и быстро размножаются. Хлорелла, например, легко произрастает на искусственной питательной среде и содержит до 50% белка, 25% жира, 15% углеводов, 10% минеральных солей и ряд витаминов. Установка с 230 л питательного раствора, в который погружена хлорелла, давала в экспериментах 20 л кислорода в час.

Полеты от 1 года и больше (к другим планетам). Совершенно очевидно, что для таких рейсов даже лиофильные продукты окажутся слишком громоздким грузом (около 200 кг на одного члена экипажа в год). Что же касается запасов воды и кислорода, то они практически не могут быть взяты на борт (около 1 000 кг воды и 300 тыс. л кислорода на каждого космонавта в год).

И лучшее решение здесь, по мнению ученых, выглядит на первый взгляд парадоксальным: лететь совсем без запасов! Все должно производиться на месте.

Мысль эта не нова. В свое время ее подал и всесторонне рассмотрел К. Э. Циолковский. В одном из своих произведений он писал: «Растения подобраны плодовитые, травянистые, мелкие, без толстых стволов и не работающих на солнце частей. Чем они более утилизируют солнечный свет, чем больше дают плодов, тем больше поглощают солнечной энергии и тепла. Но оно возвращается, так как плоды поедаются, и люди возвращают в свое жилище тепло, поглощенное растениями...»

Экологическая среда в кабинах межпланетных кораблей даст человеку абсолютно все, что нужно для нормальной жизни. Белки, жиры, углеводы, микро— и макроэлементы, витамины доставит хлорелла. Но для нормального рациона необходимы еще животные белки. Где их взять? Очевидно, придется организовать космический «скотный двор». Правда, обитателями его станут не коровы или овцы, а кролики, утки и куры. Уже успешно проведены опыты по кормлению кур хлореллой, а также различными органическими отходами. Известны породы кур, которые мало двигаются, а больше неподвижно сидят на местах. Они не займут много места. Их кормление и инкубаторное разведение, разумеется, должно быть поручено машинам.

Остается проблема производства углеводов, которых в сутки человеку требуется до 400 г. Их дадут те самые оранжереи, о которых писал Циолковский. Здесь на искусственной среде из отходов можно выращивать бататы и картофель. Овощи тоже будут регенерировать воздух, поглощая углекислый газ.

Проекты питания космонавтов рождаются ежедневно.

За рубежом известен проект космической кухни с плитой, шкафами для хранения продуктов и прочими атрибутами домоводства. Проект явно не в ладах с конструкцией ракет. Оборудование весит 370 кг и рассчитано на помещение в цилиндр диаметром 2,3 м. Вспомните, вся капсула «Меркурий» весит лишь около 1,5 т и имеет длину немногим более 3 м.

Здесь нет никаких удобств самому космонавту, о какой же еще кухне может идти речь?!

Совсем недавно в США появился проект некоего доктора Шварца. Доктор предложил изготовить корабль «Аполлон-С» с деталями из... съедобных материалов. Был предложен такой состав: пшеничная мука, кукурузный крахмал, яичный порошок, измельченные сухие бананы. За девять минут эта смесь спекается под гидравлическим прессом, после чего приобретает предел прочности 5 кг/мм². Каждый грамм смеси содержит 3,6 калорий. Как заявляет изобретатель, полученный материал можно обрабатывать на станках и штамповать.

Проектов много. Но ни один из них не выдерживает соперничества с экологическим циклом, научно обоснованным и проверенным в лабораторных условиях.

...Человечество прочно встало на звездные пути. Продвижение по ним в значительной степени зависит от налаженного космического быта.

И. НЕХАМКИН, журналист

Чтобы уменьшить термобатарею, отказались от принудительного охлаждения. Второй конец батареи остывает сам по себе. Но для этого нужно, чтобы теплопроводность ее была по возможности меньшей. В то же время батарея должна иметь минимальное внутреннее сопротивление. Эти два противоречия разрешают висмут и теллурид висмута.

...Каждый шаг в космос рождает новые проблемы энергопитания. Растет ассортимент и мощность оборудования.

Первый искусственный спутник Земли весил 84 кг, второй — 508 кг, а «Восток-1» весит уже 4 725 кг. Основные потребители электроэнергии на первом спутнике — средства связи, которые питались от серебряно-цинковых батарей, на втором было проведено уже десять комплексов исследований. Можно себе представить многообразие аппаратуры на космических кораблях типа «Восток»! Закономерно поэтому, что вслед за солнечными батареями на космические ракеты пришли более мощные источники питания — турбогенераторы.

Существует несколько разновидностей турбогенераторов, различающихся типом нагревателя. Вот нагреватель — знакомое уже нам параболическое зеркало. Пучок солнечных лучей падает на заполненный серой радиатор. У кипящей серы давление повышается до десятков атмосфер, и она обрушивается на лопатки многодисковой турбины, насаженной на один вал с генератором электроэнергии. Израсходовав силу на вращение турбины, сера поступает в конденсатор, а оттуда снова перекачивается в радиатор.

Так что и турбогенераторы используют солнечную энергию, но далеко не всегда. Причина не только в том, что установленное на внешней обшивке космического корабля зеркало, подвергаясь бомбардировке микрометеоритами и воздействию излучений, быстро изнашивается. При заходе корабля в тень солнечные источники перестают работать.

В другом турбогенераторе, у которого в камере сгорает ракетное топливо, процесс протекает иначе. Горячий газ, вырываясь из специального сопла, сам вращает вал турбины. Турбогенератор обходится без посредника, каким является рабочее тело — сера.

Совсем недавно появился новый источник энергии — термоионный. В общих словах, это диод, преобразующий тепловую энергию в электрическую по закону термоионной эмиссии.

Вообразим на минуту, что нам удалось заглянуть внутрь термоионного генератора. Ослепительный жар катода, нагреваемого или солнечными лучами, или атомным реактором. Когда температура достигает 1200°, электроны вырываются из катода и летят на холодный анод. От анода они через внешнюю нагрузочную цепь, состоящую из потребителей энергии, возвращаются к катоду. Термоионный генератор прост, у него небольшой вес.

Может возникнуть вопрос: к чему столь широкий ассортимент источников питания? Не проще ли выбрать один или два, отработать их до совершенства, и пусть себе трудятся на здоровье. Давайте посмотрим.

Сравним, например, термоионный источник с термоэлектрическим. При прохождении плотных слоев атмосферы обшивка корабля разогревается свыше 1500°. В это время термоэлектрический источник работать не может, так как его температурный «потолок» 700°. Работает термоионный. А в космосе включается термоэлектрический источник.

И еще одно немаловажное обстоятельство. Источники энергии делят между собой «рынок сбыта» по мощностям. 0,1-1 квт дают фотоэлементы, термоэлектрические источники; 1-10 квт — турбогенераторные; выше 10 квт — термоионные. Для каждого полета в зависимости от поставленных задач вновь и вновь приходится находить наилучшее сочетание источников питания.

Тот, кто знает цену киловатту, скажет: хорошо, низкие и средние мощности нужны радиооборудованию и научной аппаратуре. Ну, а высокие, зачем они? На космических ракетах распространены гидравлические системы управления. Чтобы повернуть ракету, надо переместить камеру сгорания с соплами, а это может сделать только мощный электромотор.

Такова различная по составу и способам получения «пища», которой питаются приборы и механизмы в космосе.

А. КИЧАТОВ,
студент МГУ,
член литобъединения журнала

Более современные твердые топлива для ракет представляют собой механическую смесь окислителя и горючего.

Вот состав одного из стандартных американских топлив для стартовых ускорителей: 80% аммиачной селитры (окислитель), 10% синтетического каучука и сажи (горючее) и столько же веществ, придающих вязкость.

Еще Цандер теоретически доказывал, что хорошим топливом могут стать металлы — магний, алюминий, железо. Но сами по себе они не горят, а только в смеси с окислителем. От правильного выбора окислителя во многом зависит калорийность топлива. Так, озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода, более выгоден, чем сам кислород.

Недавно служащие одного из американских испытательных аэродромов явились свидетелями необычной картины. На старт вырулил серийный бомбардировщик. Запущены двигатели, самолет помчался По стартовой дорожке. Пятьсот, тысяча, две тысячи метров. С молниеносной быстротой приближается препятствие из фанеры. Вот-вот самолет врежется в него, разнесет в куски. Но перед самым препятствием машина оторвалась от земли.

Это был первый случай, когда в качестве горючего применили суспензию магния — насыщение магниевым порошком обычного топлива. Самолету понадобилось для разбега не 4 тыс. м, а вдвое меньше.

За рубежом созданию топлив с повышенным содержанием металлического порошка придается большое значение, так как их калорийность и удельная тяга гораздо выше, чем у углеводородных. Чтобы пропускать по трубопроводам и впрыскивать в более или менее обычные камеры сгорания этот новый вид топлива, надо сделать его достаточно текучим. Но в то же время нельзя допускать быстрого оседания взвешенных частиц — противоречие, которое разрешается всеми возможными способами. Стремятся получать частицы по возможности мельче. Большое значение имеет их форма. Например, распыляя расплавленный металл, получают порошок, состоящий из частиц размером от 13/1000 до 24/1000 микрона и преимущественно сферической формы.

Кроме магния, еще применяется бор.

Жидких ракетных топлив много. Бензин, аммиак, жидкий водород в смеси с жидким кислородом дают большие скорости истечения из сопел и развивают достаточный для полета удельный импульс. Но «больное место» этих топлив — чрезвычайно низкие температуры, при которых они могут сжижаться. Так водород-газ превращается в водород-жидкость при -210° С, а кислород при -183°. Очень трудно сохранять такое топливо при многодневном и тем более при многомесячном полете: стенки топливных баков разрушаются от сверхнизкой температуры.

Ясно, что чем выше калорийность топлива, тем больше и дальность действия ракеты. На 1 кг полетного веса расходуется примерно 100 кг топлива. Чтобы запустить на Луну корабль весом в 1 т на одном из перечисленных топлив, вес его на старте должен быть, по самым скромным подсчетам 300-400 т. Из них около 90% приходится на горючее и окислитель. Выходом из этого положения могла бы быть постройка ракеты-«самоеда».

Американцы считают, что алюминиевый контейнер ракеты «Поларис» может использоваться после запуска как топливо. По подсчетам, это увеличивает силу тяги двигателя на 20%. Правда, еще не решена проблема «переработки» во время полета такого «сырья», как отдельные части ракеты. У крупных кусков металла плохой контакт с окислителем, их надо перетирать в порошок, плавить. Очевидно, скоро конструкторам придется проектировать космические корабли, создавая на их борту фабрики по переработке конструкционных материалов ракеты в топливо для «самих себя».

«Пищей» ракет также могут быть солнечная энергия (фотонный двигатель), энергия свободных атомов кислорода и азота в атмосфере.

Но это пока проекты, и мы нарочно не упомянули о них, а рассказали о пище «самой земной», которая помогает нашим кораблям забираться все дальше в космос.

А. КРАСНОВ, инженер