дома нескучно
Как весело и с пользой пережить самоизоляцию

Какую максимальную скорость может развить ракета?

2 February 2019

Это один из довольно часто задаваемых вопросов. Иногда спрашивают можно ли разогнать ракету до скорости света и тому подобное. В этой статье я подробно отвечу на этот вопрос.

Запуск ракеты Atlas-V. Источник: popsci.com
Запуск ракеты Atlas-V. Источник: popsci.com

Проблема ракеты как способа передвижения состоит в том, что все свое топливо ракета должна нести с собой. При этом чем топливо будет тратиться не только на ускорение самого космического корабля, но и на ускорение самого топлива. Т.е. если мы хотим взять дополнительную тонну топлива, то в реальности понадобится взять больше - так как эту тонну тоже нужно будет везти с собой.

Источник: spacex.com
Источник: spacex.com

Все это описывается ракетным уравнением, которое вывел Константин Циолковский.

Ракетное уравнение Циолковского
Ракетное уравнение Циолковского

Где Δv — разница в скоростях (например если разгоняться с 0 до 100 км/с, то Δv — 100 км/с). I — удельный импульс двигателя, а m₀ и m₁ - массы ракеты в начале и конце путешествия.

Максимальный удельный импульс современных ракетных двигателей равен примерно 5000 м/с. В качестве массы полезной нагрузки ракеты возьмем массу 15000 килограмм. Именно столько весил лунный модуль:

Лунный модуль. Источник: nasa.gov
Лунный модуль. Источник: nasa.gov

Таким образом полная масса космического корабля на старте m₀ будет равна 15000 кг + масса топлива, которое мы планируем использовать.

Давайте для разминки посчитаем скорость, которую можно достичь, если масса топлива будет равна массе полезной нагрузки, т.е. m₀ = 15 000 кг + 15 000 кг = 30 000 кг.

Расчет для массы топлива 15000 килограмм.
Расчет для массы топлива 15000 килограмм.

Легко убедиться, что в этом случае удастся достичь скорости всего-лишь 3465.74 м/с.

Увеличим количество топлива в 10 раз. Подставим в формулу и мы легко убедимся, что с количеством топлива 150 000 кг ракета сможет достичь скорости 11 989.5 — практически вторая космическая скорость!

Окей, это все полумеры. Давайте увеличим количество топлива в 10 000 раз! Подставляем значения в формулу и получаем: 46 052 м/с.

Добавим еще горючего. Положим мы используем в качестве горючего все разведанные запасы углеводородов на Земле. Тогда у нас 182×10¹² кг горючего и они дают нам скорость 116 096 м/с. Как-то маловато. Это примерно 0.038% скорости света.

Если использовать всю массу Земли как топливо, то получится достичь скорости 237 122 м/с. Если взять массу солнечной системы: 300 774 м/с. Чего уж там мелочиться, возьмем примерную массу наблюдаемой вселенной (10⁵³ кг): со всей вселенной в качестве топлива корабль разгонится всего лишь до 562 105 м/с. Это 0.2% скорости света.

Почему так?

Да потому, что удельный импульс ракетных двигателей очень мал по сравнению со скоростью света. Для того, чтобы достигать релятивистских скоростей нам нужны двигатели удельный импульс которых будет сравним со скоростью света. Хорошим кандидатом может быть например термоядерный ракетный двигатель. По теоретическим подсчетам его удельный импульс будет примерно в районе 10-11% скорости света.

Другим возможным вариантом является использование реакции аннигиляции материи и антиматерии и выделяемой при этом энергии для получения импульса. Двигатель работающий на антивеществе мог бы давать удельный импульс в районе 90-95% скорости света.

Двигатель Бассарда. Источник: wikipedia.org
Двигатель Бассарда. Источник: wikipedia.org

Другим возможным способом преодоления ограничения ракетной формулы Циолковского состоит в том, чтобы космический корабль не тащил с собой топливо.

Так например предлагается ускорение космических кораблей со световыми парусами с помощью стационарных лазеров или "дозаправка" космического корабля межзвездным газом и пылью встречаемыми им в полете. Такой подход используется в теоретически разрабатываемом сейчас межзвёздном прямоточном двигателе Бассарда, хотя на мой взгляд там есть несколько теоретических проблем, которые вряд ли удастся обойти.