В космос на сахаре!: «Карамельное» топливо

Лишь одна команда — CSXT во главе с бывшим голливудским каскадером и мастером по спецэффектам Каем Майкельсоном — продолжила работу, пытаясь достичь первоначальной цели. Майкельсон, известный в узких кругах под именем The Rocketman за свою приверженность реактивной тяге, даже уйдя на отдых, продолжил занятия своей любимой пиротехникой. Проанализировав неудачи предшественников, CSXT отказалась от экзотических схем запуска со стратостата или самолета.

Запуски с воздушных шаров восходят к 50-м годам прошлого века. Попытки сэкономить на атмосферных потерях предпринимались еще до полета первого спутника, но, как в 1950-е годы, так и в 1990-е, результат был неудовлетворительным — простая на вид схема таила в себе множество «граблей», на которые неудачливые ракетостроители и через 40 лет наступали с тем же энтузиазмом.

Каю Майкельсону пришлось отказаться и от двухступенчатой конструкции — надежность ее в любительском исполнении оставляла желать лучшего, в чем он и убедился в ходе неудачной попытки достичь границы космоса в 1997 году. Вторая ступень просто не запустилась. Вдобавок после неудачных стартов конкурсантов CATS Prize получение разрешений на запуск двухступенчатых высотных ракет обставили почти непреодолимыми для любителей рогатками.

Вообще-то американские законы, регулирующие любительское ракетостроение, самые либеральные в мире. Кроме обычных, запускаемых по всему миру ракетомоделей, в США определены классы High Power Rockets и, для тех, кому и этого не хватает, Experimental Rockets. Классификация идет как по полному импульсу двигателя (произведение тяги на время работы), так и по стартовой массе и разрешает — с определенными оговорками — любительские ракеты до 16 000 Н•с в классе High Power Rocketry и до 128 000 Н•с в классе Experimental Rocketry. Сравните это с максимальными 80 Н•с на ракетомодельных соревнованиях! В Европе ничего подобного для любителей больших ракет нет, поэтому европейский рекорд высоты полета до сих пор менее 10 км. Мало того, европейские любители вынуждены возить свои ракеты в США, снаряжать и запускать их в Неваде!

Но и в пустыне законы следят за безопасностью весьма тщательно. Любителям запрещено перевозить большие заряды из штата в штат — снаряжать ракету нужно прямо на месте запуска. Есть и масса других ограничений, кажущихся на первый взгляд надуманными, но большинство из них созданы при разборе какого-нибудь несчастного случая и призваны устранить такие случайности в дальнейшем.

Все, что мог усовершенствовать Майкельсон, — это аэродинамика ракеты и характеристики топлива. CSXT провела большую исследовательскую работу, дабы достичь максимальных характеристик. Объем испытаний двигателей различных калибров был непредставим для большинства любителей — больше дюжины самодельных РДТТ калибром 6 и 8 дюймов (15−20 см) сгорели на испытаниях при попытках добиться надежной работы на пике возможностей. Говорят, затраты команды превысили $130 000! Но наконец, в январе 2002 года ракета, способная достичь космоса, была готова. Она получила имя Primera, в честь компании-спонсора, производителя компакт-дисков. Лишь 1 июня удалось получить разрешение на запуск — однако он не состоялся из-за погодных условий. На новую попытку в конце сентября нужно было новое разрешение, которое было получено 27 августа. Но 21 сентября 2002 года эта ракета, успев подняться на 720 м и набрать скорость 1700 км/ч всего за три секунды, разрушилась в воздухе из-за прогара корпуса двигателя возле сопла и разворота ракеты поперек потока.

Доработки и изготовление новой ракеты, названной GoFast, заняли полтора года. Ракета потяжелела в полтора раза и весила на старте 328 кг (из них 197,5 кг весило топливо). Длина ракеты была равна 6,4 м, а диаметр корпуса — всего 25,4 см, то есть ракета выглядела тонкой, как гвоздь! В профессиональном ракетостроении такие пропорции почти не встречаются, но необходимо было любой ценой уменьшить аэродинамическое сопротивление, что при гиперзвуковой скорости достижимо только путем уменьшения диаметра. Да-да, ракета должна была набрать гиперзвуковую скорость еще в плотной атмосфере — на высоте около 8−10 км, где летают обычные дозвуковые лайнеры. Поэтому нос ее представлял собой сплошной стальной конус с очень маленьким углом раскрыва и тоненький у вершины — токарь сумел выточить эту деталь лишь с третьей попытки.

На этот раз судьба была более благосклонна к команде. 15 мая 2004 года с чудовищным ускорением в 21,5 g (больше, чем у катапульты для спасения летчиков-истребителей) тоненькая ракета устремилась к границе космоса. Привлеченные наблюдатели радиолокатором отслеживали скорость и высоту ракеты. Через 13 секунд топливо в двигателе полностью выгорело и ракета полетела по инерции со скоростью, в 5,2 раза превышавшей скорость звука. Стало ясно, что рекорд состоится. Через 2,5 минуты ракета достигла космоса. Через пять минут после старта были приняты сигналы радиомаяка — модуль полезной нагрузки спускался на парашюте. К сожалению — далековато от расчетного места приземления. Найти его удалось, когда батареи маяка уже иссякли. А корпус ускорителя пришлось искать более двух недель — он упал в 40 км от места старта. Эти трудности несколько омрачили успех, но высота в 115 км была взята, о чем, кроме радиолокатора, теперь свидетельствовали и записи бортового «черного ящика»!

Но вернемся к сахару. Топливо, использованное в ракете GoFast, было максимальным любительским приближением к топливу стартовых бустеров (SRB) «Шаттла». Типовое смесевое твердое топливо состоит из перхлората аммония, алюминия и синтетического каучука, изначально жидкого, твердеющего прямо в двигателе. Но перхлорат аммония и каучук — вещества, практически недоступные для большинства «ракетолюбителей». Их продажа находится под весьма серьезным контролем. Да и алюминиевый порошок нужен не абы какой — «серебрянка», например, не годится, частицы металла должны иметь сферическую форму и определенный размер.

В результате двигатели на таком топливе даже в США доступны лишь единицам. Остальным приходится применять что-нибудь попроще. Например, пресловутый сахар. «Карамельное» ракетное топливо действительно представляет собой сплав сахара с калийной селитрой. Его характеристики скромны, но все же оно раза в полтора лучше известного всем дымного пороха, на котором ракеты летали почти тысячу лет, прежде чем был придуман пироксилин. К тому же «карамель» как минимум в 10−20 раз дешевле, чем топливо на перхлорате аммония. Кто придумал «карамельное» топливо, сейчас установить сложно, появилось оно в середине XX века. Американские источники утверждают, что впервые его применил Билл Колберн в 1943 году в Калифорнии. Редкие книги о любительском ракетостроении не воспроизводили его рецепт, но на научную основу применение его было поставлено лишь в середине 1990-х — любители стали изучать свойства топлива, зависимость его характеристик от вариации состава, от начальной температуры, давления в камере и т. д. Конечно, в распоряжении профессионалов есть энергетически более выгодные вещества, но любителям для серьезного и безопасного применения все эти сведения были необходимы, и получить их можно было лишь экспериментальным путем.

Оказалось, что топливо это устойчиво горит в широком диапазоне давлений в камере, что позволило делать на нем как простейшие бумажные двигатели, так и перезаряжаемые металлические. Малые отклонения в составе также не мешают его хорошей работе, поэтому оно более безопасно. Однако есть у этого топлива и недостатки, прежде всего — это хрупкость. К примеру, топлива на основе каучука весьма мягкие, профессионалы-ракетчики

утверждают, что от куска такого топлива можно руками отщипнуть крошку, это позволяет наглухо скреплять заряд с корпусом. Заряд служит и теплозащитой — пока он весь не сгорит, корпус двигателя не нагреется. С карамелью так делать нельзя — она может растрескаться под рабочим давлением, доходящим до полусотни атмосфер! Поэтому карамельный заряд — вкладной, между ним и корпусом должна быть узенькая щель для выравнивания давления. Но при этом металлический корпус должен быть защищен от горячих газов, ведь их температура достигает почти 1400˚C, так что металл неизбежно потеряет прочность.

Другой недостаток «карамели» — большое количество «конденсированной фазы». Так ракетчики называют продукты сгорания, которые не являются газами. При горении карамели образуется поташ, или углекислый калий. В камере он жидкий, а в сопле становится твердым. Мельчайшие частички углекислого калия создают плотный белый дым. Этот дым довольно едкий, так как поташ имеет щелочную реакцию. Поэтому ни в коем случае нельзя жечь «карамельное топливо» в закрытом помещении. Но для ракетного двигателя конденсированная фаза вредна по другой причине: твердые или жидкие частички не могут расширяться в сопле, как газы, а значит, не создают работы; тепло от них к газу передается только излучением, поэтому КПД ракетного двигателя уменьшается. Это значит, что фактический удельный импульс «карамели» заметно ниже теоретического, рассчитанного из теплоты химических реакций.

И еще один серьезный недостаток — для классической сахарной карамели слишком мала разница температур между плавлением сахара и загоранием готовой смеси. Но эта проблема была успешно решена заменой сахара на сорбит. Сорбитовое топливо горит медленнее, чем сахарное, но работать с ним гораздо безопаснее, ведь сорбит плавится уже при 125˚C, а сахароза — лишь при 185˚. Все остальные полезные свойства сахарного топлива у сорбитового сохранились.

После триумфа GoFast многие ракетчики предъявляли претензии команде CSXT. Дескать, их ракета «нечестная», поскольку не может быть воспроизведена практически никем из любителей, и к тому же из-за большого отклонения их ракеты высотные пуски теперь находятся под гораздо более плотным контролем: чиновники в США решили, что их законодательство чересчур либерально. Но с другой стороны, однажды решенную задачу второй раз решить гораздо проще. И канадец Ричард Накка, один из главных энтузиастов «карамели», решил добиться «честного» с точки зрения любительского ракетостроения результата, достичь границы космоса на сахарном — или сорбитовом — топливе. Проект был назван Sugar Shot to Space, в вольном переводе «На сахаре в космос».

Но сначала надо было выяснить, решаема ли эта задача в принципе. Если бы не мешала атмосфера, достаточно было бы скорости 1400 м/с, чтобы с поверхности Земли «допрыгнуть» до высоты 100 км. Но у GoFast атмосфера «съела» около 300 м/с (больше 1000 км/ч!). Чтобы уменьшить величину потерь, надо разгоняться в более разреженном воздухе, на большей высоте, а для этого необходимо уменьшить стартовую перегрузку и увеличить время работы двигателя. Но для неуправляемой ракеты это нежелательно, так как увеличивается участок, на котором стабилизаторы плохо работают. Нужно увеличивать либо высоту направляющей, либо размер стабилизаторов, что увеличивает аэродинамические потери.

Анализ аэродинамики был выполнен очень тщательно, в результате пропорции ракеты получились еще более странными, чем у GoFast, — длина в 30 раз больше диаметра, три стабилизатора вместо четырех, да и форму носовой части пытались оптимизировать. Вот только все это не приближало к желаемому результату. Делать же ракету двухступенчатой не хотелось, так как это уменьшало надежность и увеличивало сложности с получением разрешения на запуск. Ричард Накка был не понаслышке знаком с этими проблемами.

Надо было придумать такой профиль тяги (зависимость тяги от времени), который можно было бы реализовать в движке на карамели и который бы снизил аэродинамические потери и не слишком увеличил потери гравитационные. В зенитных ракетах используется быстрая стартовая ступень с тягой под сотню тонн и ускорением до 50 g (в противоракетных системах) и относительно «долгоиграющая» маршевая — с гораздо меньшей тягой. Но маршевая ступень раньше делалась на ЖРД, а сейчас — на специальных твердых топливах, обеспечивающих большое время работы. Для любителей это не годится — слишком велик объем отработочных испытаний. У простых карамельных движков время работы тесно связано с диаметром.

Но решение было найдено — им стал двухстадийный двигатель. Такой двигатель состоит из двух камер с двумя зарядами топлива, по очереди работающих на общее сопло. Между камерами — заглушка из пережигаемого материала, которая не должна пустить горячие газы ко второму заряду во время работы первого. После выгорания первой стадии ракета будет некоторое время лететь вверх по инерции, постепенно теряя скорость, но и выбираясь из плотных слоев атмосферы, и лишь по окончании баллистической паузы воспламенится вторая половина запаса топлива. Максимальная скорость при этом будет заметно меньше, чем у GoFast, и достичь ее удастся на большей высоте — при этом аэродинамические потери снизятся.

Однако при всех ухищрениях стартовая масса и размеры у ракеты на сахарном топливе должны быть больше, чем на перхлорат-каучуковом. Поэтому члены группы SS2S построили вначале модель двухстадийного двигателя в масштабе 1:4 (по линейным размерам; по массе топлива это 1/64). Только с четвертой попытки к ним пришел успех — сложнее всего было добиться, чтобы камера первой стадии не прогорала во время работы второй, ведь ей доставалась двойная доза тепловой нагрузки.

Однако, преодолев все трудности, ракетчики поняли, что перед постройкой полноразмерной ракеты для штурма космоса им придется сначала отработать технические решения на чем-то подешевле, и сейчас строят ракету в масштабе 1:3. Долог путь любителей в космос! Но мы надеемся, что со временем у них все получится, и желаем им настойчивости и успехов.