Керосин или водород

Прослушать новость

Георгий Михайлович Гречко до полётов в космос был конструктором космической техники. В ту пору Сергей Павлович Королёв, чтобы поощрить самостоятельность молодых инженеров, приглашал их на совещания по вопросам, выходящим далеко за пределы их знаний, опыта и ответственности.

Однажды на совещании Королёв спросил Гречко: какое топливо лучше — водород или керосин? Гречко тогда занимался баллистикой — и для него ответ был далеко не очевиден. Я же, прочитав его интервью, сразу вспомнил элементарные сведения, полученные на теплофизическом факультете. Входят они и в школьный курс — просто в детстве не каждый обращает на них внимание.

При окислении водорода выделяется почти вчетверо больше энергии (в расчёте на единицу массы), чем при окислении углерода. В керосине водород — примерно 1/6 общей массы: остальное — углерод. Соответственно теплотворная способность керосина в три с лишним раза меньше, чем водорода.

Но водород кипит при температуре 21 кельвин — –252.77 °С. Чтобы он не выкипел до старта, нужна мощная теплоизоляция и система охлаждения. Масса этой конструкции съедает ощутимую часть выигрыша в массе топлива.

У геометрически подобных тел площадь поверхности пропорциональна второй степени линейных размеров, а объём — третьей. По мере роста размера при данной форме на единицу объёма приходится всё меньшая поверхность.

Чем больше ракета, тем меньше тепла притекает через её поверхность к каждому килограмму топлива, тем легче бороться с этим притоком — и тем выгоднее использовать водород.

Ракета Р‑7 (чья модификация до сих пор летает под названием «Союз») работает на керосине. Более мощный «Протон» использует ещё более высококипящее топливо — несимметричный диметилгидразин (НДМГ, гептил). Казалось бы, это противоречит приведенному правилу. Но «Протон» создан в рамках одного из ответвлений советской лунной программы. Там понадобились двигатели, надёжно запускающиеся в космосе. Конструкторы выбрали НДМГ, поскольку при взаимодействии с азотной кислотой он загорается без специального поджига. Азотная кислота — высококипящий окислитель, так что заодно упростилась задача сравнительно долгого хранения в космосе: лунный корабль заправляется на Земле, а стартует через несколько дней с Луны. Создав же подходящий двигатель, решили его использовать во всех ступенях ракеты.

Лунная же ракета Н‑1, разработанная Королёвым, летала на водороде. Она достаточно велика, чтобы борьба с теплопритоком не была слишком сложна.

Водород горит и в двигателях ракет Сатурн‑5, обеспечивших американскую лунную программу. Гигант, выводящий на околоземную орбиту полтораста тонн полезной нагрузки (к Луне удобнее стартовать с орбиты, уточнив на нескольких витках время и направление пуска), легко теплоизолировать.

Похоже, вопрос Королёва — отголосок споров с главным конструктором мощных ракетных двигателей Валентином Петровичем Глушко (за двигатели менее мощные — например, в системах торможения — отвечал Алексей Михайлович Исаев). Большинство двигателей, созданных Глушко, жгут керосин (для Н‑1 двигатели разработал Николай Дмитриевич Кузнецов, более известный турбовинтовыми моторами — на них летают Ту‑95 и Ан‑22). Но для ракеты «Энергия», выводящей на околоземную орбиту порядка сотни тонн (точная масса зависит от числа возвращаемых боковых блоков первой ступени), даже Глушко обратился к водородному топливу (хотя возвращаемые боковушки жгут керосин — их диаметр в несколько раз меньше, чем главного блока).

Гречко мог всё это сообразить, даже не вспоминая школьный курс физики. В школьном же курсе биологии есть правило Бергмана: животные одного вида крупнее на севере, чем на юге. Причина всё та же: чем крупнее животное, тем меньше теплопотери в расчёте на единицу массы, а потому легче поддерживать на холоде постоянную температуру тела.

Правда, с ростом размера не только упрощается теплозащита животного. Масса также пропорциональна третьей степени размера, а поперечное сечение конечностей — второй. Чем крупнее тело, тем больше нагрузка на конечности. Поэтому природе приходится менять пропорции. Например, у полярной лисы — песца — ноги заметно толще, чем у пустынной лисы — фенека, у белого медведя — толще, чем у бурого. А тонкие лапки крошечного дамана несравненно изящнее тумбообразных подставок под телом его родственника — слона.

Сходным образом меняются и пропорции сходных конструкций. Сравните хотя бы шасси двух турбовинтовых самолётов, разработанных в одну эпоху: сравнительно лёгкого Ан‑24 и крупнейшего в мире в момент создания Ан‑22. Ан‑24 опирается на две высокие стойки. Ан‑22 — на десяток стоек заметно покороче — хотя колёса на них немногим ниже стоек Ан‑22.

Эффекты масштаба зачастую имеют и денежное выражение. Так, хранение каждого бита на модных сейчас флэш-картах тем дороже, чем меньше ёмкость карты. И не только потому, что с совершенствованием технологии всё больше элементов располагается на одном кристалле и производится одним набором операций — то же самое и при одной технологии, с одними и теми же кристаллами хранения данных. Ведь обвязка — электроника и контакты, необходимые для сопряжения внутренностей карты с внешними устройствами — почти одна и та же при любом объёме. В более ёмких картах цена корпуса и обвязки раскладывается на большее число битов — и каждый обходится дешевле.

По сходной причине укрупнение предприятия бывает выгодно: оплата управленческой верхушки раскладывается на больший объём продукции. Увы, рост сверх какого-то предела вынуждает добавлять новые уровни управления — и доля управленческих расходов в себестоимости вновь возрастает. Правда, развитие информационных технологий позволило нарастить среднее число подчинённых у одного начальника и тем самым понизить высоту управленческой пирамиды, так что сейчас бывают рентабельны предприятия большего размера, чем век назад. Но всё же увлекаться укрупнением рискованно: мало ли какие побочные эффекты вылезут при росте масштаба!

Один из этих эффектов подробно исследовали в 1970‑х великие математики — академики Виктор Михайлович Глушков и Леонид Витальевич Канторович (я в 1996‑м в статье http://awas.ws/OIKONOM/COMMCOMP.HTM «Коммунизм и компьютер» перевёл некоторые их результаты с математического языка на человеческий). Они установили, сколь быстро растёт число арифметических действий, необходимое для решения задач балансировки — и тем более оптимимизации — производственного плана, с ростом числа названий изделий и деталей в плане. Оказалось, что век–другой назад можно было эффективно управлять предприятием с номенклатурой в несколько сот изделий (и сотнями деталей в каждом), современная академикам вычислительная техника обеспечила управляемость при многотысячной номенклатуре, а экономикой современного государства (где названия изделий исчисляются десятками миллионов) невозможно будет распоряжаться из единого центра, даже если этот центр сможет использовать компьютеры размером в целую планету. Знали бы это при Марксе — вряд ли он требовал бы обобществления ради централизации.

Чтобы цена не задиралась до несуразицы, расходы на разработку желательно разложить по большему числу готовых изделий. Существует минимальный размер рынка, при котором новинка окупится и выдержит конкуренцию. Зависит он в основном не от вида конкретной технологии, а от общего уровня развития. Сейчас в Западной Европе надо проектировать в расчёте на рынок с общей численностью населения не менее 400 млн человек. У нас — при относительно низкой оплате разработчиков — хватит и 200 млн. Но каждая из республик былого Союза меньше. Без создания Единого Экономического Пространства — в составе хотя бы Белоруссии, Казахстана, России, Украины — наши разработчики в скором будущем разорятся и исчезнут, а вслед за ними производителей задавят новинки из других регионов: ведь и Европейский Союз, и СевероАмериканская Зона Свободной Торговли достаточно велики, чтобы их разработки окупались уже на внутреннем рынке, а экспорт оказывается чистой сверхприбылью. Знали бы наши политики перестроечных времён об эффектах масштаба в экономике — не стряслось бы парада суверенитетов 1991‑го.

2.06.2008