Текст книги "Машина-двигатель
От водяного колеса до атомного двигателя"

Автор книги: Марк Левин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 16 страниц)

Двигатель дальних плаваний

…От причалов Ленинградского порта отошел большой океанский корабль. Длинный путь лежит впереди – Балтийское море, Северное море, Атлантический океан, Средиземное море, Красное море, Аравийское море, Индийский океан, Южное и Восточное Китайские моря… Порт назначения – Шанхай.

Советский Союз посылает братскому Китаю машины. Много-машин, все трюмы заставлены огромными ящиками.

Корабль отошел, но провожавшие его представители различных ленинградских организаций не расходятся.

– Вы знаете, – в трюмах только груз, нет совершенно угля, – слышится рассказ счастливчика, побывавшего на борту корабля. – И дыма никакого…

– Что, трубы-то у него для декорации, что ли? – замечает и одновременно спрашивает другой.

– Но самое интересное, ведь он не будет заходить ни в один промежуточный порт! – восторженно восклицает третий.

Так, вероятно, очень скоро случится. Вы уже догадываетесь, – речь идет о проводах корабля с атомным двигателем. Пока еще такой корабль не строится. Но разве в недалеком будущем не должны занять «атомные корабли» преимущественного места? Ведь, действительно, как это удобно: трюмы высвобождаются для полезных грузов, продолжительность рейсов сокращается, заходы в промежуточные порты для погрузки топлива становятся ненужными. Свыше двадцати тысяч километров – путь от Ленинграда до Шанхая. Несколько раз приходится заходить сейчас пароходам в промежуточные порты. А на «атомном топливе» открыт прямой путь – от порта отправления до порта назначения.

Над атомными кораблями в шестой пятилетке советские инженеры будут много работать. Уже начато проектирование атомного ледокола. Это будет первенец советского атомного кораблестроения.

Модель строящегося в СССР атомного ледокола. Схематично показано, как будет размещена атомная установка: 1 – атомный котел, 2 – теплообменник, 3 – паровая турбина, 4 – электрогенератор, 5 – насос, 6 – биологическая защита.

Корабль нового типа, он позволит по-новому организовать плавание наших судов по широким просторам полярных морей. Сбывается мечта знаменитого русского мореплавателя адмирала С. О. Макарова, – скоро можно будет на мощном ледоколе достигнуть Северного полюса.

Атомный ледокол будет превосходить обычные ледоколы по мощности своих двигателей в полтора-два раза. Эта мощность будет равна сорока четырем тысячам лошадиных сил.

Двигатель атомного ледокола будет работать почти так же, как и двигатель атомной электростанции. Установка будет, конечно, громоздкая, тяжелая, – ведь надо защитить экипаж от радиоактивности. Но для защиты частично будет использована вода, окружающая нижнюю часть корпуса ледокола.

Однако, несмотря на громоздкость атомной установки, этот ледокол может брать больше полезного груза, чем обычный. Ведь запасы топлива почти не занимают места. На обычных ледоколах до 30 % полезного объема судна занято топливом. В одни сутки эти ледоколы потребляют свыше ста тонн горючего. За счет облегчения веса топлива атомный ледокол может быть сделан с более прочным корпусом – ломать более толстые льды; он может уходить в плавание на два-три года, не нуждаясь в пополнении горючим, запасаясь лишь большим количеством продуктов питания.

Новый корабль будет управляться дистанционно с капитанского мостика. Он будет послушным и мощным судном. На этом первом атомном судне будет получен разносторонний опыт для строительства атомных судов другого назначения.

Если в Советском Союзе первые атомные суда будут предназначены для мирных целей, то в Америке, под нажимом агрессивной военщины, уже ряд лет ведутся работы над созданием атомного двигателя для подводной лодки. Американские адмиралы считают, что можно затратить огромные средства, почерпнутые из трудовых копеек налогоплательщиков, лишь бы оказаться первыми обладателями атомного подводного корабля.

И вот, в то время, как советские ученые успешно создавали свой первый атомный двигатель для мирных целей, в Америке началось строительство подводной лодки «Наутилус», рассчитанной на установку атомного реактора.

По расчетам, подводная лодка «Наутилус» должна проходить под водой, не всплывая наверх, до 55 000 километров. Иными словами, если бы подобная атомная лодка могла проплыть вокруг земного шара, этот путь она проделала бы под водой не всплывая и при этом сохранила бы запас энергии еще почти на половину такого пути. В этом долгом подводном плавании и состоит преимущество атомной подводной лодки. На подводной лодке «Наутилус» должен быть установлен атомный графито-урановый реактор с охлаждением водой под давлением. Далее, по знакомой уже нам схеме, будет приводиться в движение паровая турбина.

Силовая установка лодки пока находится еще на суше, – испытывается в особой лаборатории.

Итак, атомный двигатель является единственным типом двигателей, с помощью которого можно совершить длительное плавание и, что особенно важно, длительное плавание под водой.

Схема атомной подводной лодки: 1 – кормовой жилой отсек; 2 – машинное отделение; 3 – атомный котел; 4 – главный командный пункт; 5 – мостик; 6 – помещение для перископа; 7 – каюта командира; 8—офицерская кают-компания; 9 – камбуз; 10 – носовой жилой отсек; 11 – носовое отделение торпедных аппаратов; 12 – пост управления кораблем; 13 – столовая команды; 14 – аккумуляторная батарея; 15 – кладовые.

Двигатель космических рейсов

В этой книге много говорилось о двигателе межпланетных сообщений. Но разговор этот теперь может быть вновь продолжен.

Начнем его с одной любопытной научной гипотезы.

На заре нашего века, в одну из ночей 1908 года, жители таежного района Подкаменной Тунгуски были взбудоражены сильным взрывом и последовавшим за ним сотрясением земной коры. Где-то в глубине тайги взмыл вверх ослепительный огненный шар, превратившийся потом в серебристые облака, долго еще блуждавшие над тайгой, освещая ночью окрестности бледными мерцающими лучами.

Суеверные эвенки были убеждены, что туда, в таежную глушь, спускался с небес бог Оглы. Те смельчаки, которые пытались приблизиться к этим местам, сжигались богом Оглы с помощью невидимого огня.

Ученые, зарегистрировавшие взрыв и сотрясение почвы на своих чувствительных приборах, решили, что они вызваны падением гигантского метеорита.

Однако царское правительство не хотело тратить средства на научные исследования метеорита – и долгое время в районе Подкаменной Тунгуски ученые не появлялись.

Только в годы советской власти была снаряжена экспедиция во главе с профессором Л. А. Куликом по отысканию Тунгусского метеорита.

Профессор Кулик и его товарищи с большим трудом пробирались через тайгу. Самоотверженно прокладывая себе путь, ученые, полные нетерпения и решимости, приближались к цели своей экспедиции. Им казалось, что вот-вот откроется обширная площадь с вырванными деревьями и глубоким кратером посредине.

Каково же было их удивление, когда, достигнув центра взрыва, они не обнаружили даже следов какой-либо воронки – кратера. Наоборот, в центре стояли, как столбы, голые стволы деревьев – без веток и верхушек, а по окружности деревья оказались поваленными веером, корнями к центру. Казалось совершенно непонятным, – куда же подевались остатки небесного каменного гостя? Были произведены раскопки, но на глубине двух метров обнаружился нетронутый, толстый слой вечной мерзлоты. Следовательно, и в землю не могли уйти осколки метеорита. Осталось предположить только одно: метеорит взорвался и весь до основания сгорел еще в воздухе.

Долгое время было, однако, непонятным, какая энергия могла вызвать этот взрыв. Ведь при падении с огромной космической скоростью удар о землю, при котором кинетическая энергия превращается в тепловую, и мог быть причиной взрыва… Но в воздухе ведь никакого удара быть не могло?

И вот, после того, как над городом Хиросима произошел почти такой же взрыв с таким же ослепительным огненным шаром и с такими же радиоактивными облаками, появилась у некоторых ученых мысль о том, – не был ли взрыв Тунгусского метеорита атомным взрывом?

А вслед за этой мыслью появилась новая: быть может, не обычный метеорит, а межпланетный снаряд, летевший на атомном горючем, например с Марса, вторгся в земную атмосферу. Возможно, раскалившаяся в полете оболочка расплавилась и «подожгла» атомное «горючее»?

Сторонники этой гипотезы рассчитали, что именно в 1908 году такой межпланетный корабль мог после временной остановки на планете Венере наилучшим образом перелететь на Землю с Марса, так как в этом году расстояние между Землей и Венерой было наикратчайшим.

Еще нельзя сказать, правы или ошибаются сторонники столь интересной гипотезы, но будущее межпланетных кораблей, которые должны подняться с Земли, всё чаще и чаще связывается с атомной энергией.

Ведь если удалось бы заставить ракету лететь на атомной энергии, – разве это был бы не наилучший двигатель для космических рейсов?

Главным препятствием в постройке межпланетного корабля является необходимость больших запасов горючего. Но ведь атомное «горючее» самое экономное, – его-то потребуется совсем мало.

Другим препятствием является необходимость перевозки, кроме топлива, еще и окислителя. Но для «атомного горючего» окислителя не надо.

Однако создать атомную ракету пока не так-то просто.

Предлагается много разных проектов, но ни один из них еще не кажется вполне осуществимым.

Так, например, есть предложение построить атомную ракету с реактором. Это значит, что в ракете будет сооружен атомный котел. Здесь будет выделяться большое количество тепла. Но откуда возьмется газ, который должен с большой скоростью вытекать из реактивного сопла? С этой целью предлагается запастись сжатым газом или водой. Вода занимает меньше места, а водяной пар, нагретый до очень высоких температур, ничем не отличается от газа. Он будет вытекать из сопла с большой скоростью.

Космический атомный корабль будущего.

Однако в этом проекте есть много недостатков: во-первых, всё равно необходимо запасаться газом или водой. Правда, не надо брать окислитель, но зато вес атомного реактора и защиты к нему не так уж мал.

Во-вторых, – и это самое главное – ведь в камере реактивного двигателя газ должен быть нагрет до возможно более высокой температуры. А материалы атомных реакторов не позволяют очень высоких нагревов. Кроме того, и время на передачу тепла от реактора к газам отводится очень малое, – значит, температура газовой струи перед соплом будет низкая и термодинамический коэффициент полезного действия такого двигателя будет тоже низким.

Есть и такое предложение.

В обычной ракете с химическим топливом удается уже тетерь получать температуру сгорания порядка 3000 °C. Стенки камер таких ракет специальным образом охлаждаются и выдерживают подобный режим работы двигателя. Используя атомное горючее, предлагается подавать в камеру сгорания обогащенный уран, например в виде порошка, вместе с рабочим телом. В камере начнется цепная реакция, быстро нагревающая содержимое до температур порядка 4000–5000 градусов.

Если бы удалось практически организовать так работу атомного ракетного двигателя, вероятно, это было бы более правильным решением, чем предыдущее.

А вот если бы удалось, наконец, овладеть термоядерной реакцией, удалось научиться управлять ею, получать нужную температуру и скорость этой реакции, – вот тогда вопрос с двигателем для межпланетных кораблей был бы окончательно решен. Было бы, наконец, найдено необходимое «концентрированное» топливо. Ведь эта реакция будет совершаться при большой температуре прямо в камере сгорания, а не в реакторе. Здесь также не потребуется специальных окислителей. В качестве «горючего» будет использован газ, и в результате реакции тоже получится газ, который, вытекая через реактивное сопло, создает также реактивную силу тяги. А если к тому же вести испарение воды, то можно будет получить любой мощности двигатель.

Ученые работают и над ракетами, где бы прямо использовалась кинетическая энергия осколков делящихся атомных частиц. Ведь они разлетаются с большими скоростями. Однако и здесь много сложных задач: осколки надо направить в нужную сторону, надо иметь много таких осколков по весу и т. д. Пока такие ракетные двигатели, как выясняется, не могут развивать больших усилий тяги. Эти ракеты даже получили название «псевдоракет», то есть ложных ракет.

Итак, двигатель будущего межпланетного корабля – это атомный двигатель. Но он пока не создан – впереди предстоит решить много важных технических задач.

Современное ракетоплавание еще опирается на обычные ракетные двигатели с химическим топливом. Однако сейчас уже проектируются реактивные атомные самолеты, которые позволят накопить опыт использования атомной энергии в летательных аппаратах.

Схема атомного реактивного самолета.

Энергия будущего

Атомные электростанции, атомные корабли, атомные ракеты…

Атомные двигатели скоро займут свое место и на самолетах и на железнодорожных локомотивах. Пока еще атомные установки получаются громоздкими, и это затрудняет их применение. Вот возьмем, например, автомобиль.

Для того, чтобы обернуться четыре раза вокруг земного шара, автомобилю потребовался бы лишь небольшой кусочек атомного горючего, размером с грецкий орех. Но вся беда в том, что, расходуя маленькую порцию топлива, автомобиль должен будет возить с собой весь огромный атомный котел со всей заправкой. А ведь вокруг котла должна быть толстая защитная стена.

Если предположить, что для автомобиля можно использовать чистый уран-235, то и тогда вес энергетической установки будет равняться нескольким тоннам. А современные автомобильные двигатели внутреннего сгорания обычно весят не больше 300–400 килограммов.

Но если сегодня говорить об атомном двигателе на автомобиле еще рано, то скоро настанет и завтрашний день атомной энергетики. А ведь в этом завтрашнем дне обязательно появятся и атомные автомобили, и атомные самолеты, и атомные плавильные печи, и много других атомных энергетических установок… Это неизбежно не только потому, что атомные котлы начали успешно конкурировать с другими тепловыми источниками, но и потому, что запасы современного топлива крайне ограничены.

Геологи подсчитали, что при существующих темпах расходования нефти и каменного угля, человечество сможет располагать этим топливом еще каких-нибудь 200–400 лет – и только.

А ведь потребление энергии всё растет и растет. Подсчитано, что во всем мире (без СССР) за десять лет потребность в энергии удваивается. Если бы не атомная энергия, плохо пришлось бы жителям двадцать пятого века.

Но атомная энергия неисчерпаема. Если на всё будущее время сохранился бы уран как основное атомное топливо, то и в этом случае при нынешнем уровне потребления энергии геологи гарантируют человечеству десять тысяч лет спокойной жизни, без мысли об «энергетическом голоде», – таковы мировые запасы урана, который в прошлом добывался в очень малых количествах и шел преимущественно на получение красок. Но мы уже знаем, что «атомное горючее» можно накапливать.

Однако наука не считает, что существующие способы использования атомной энергии останутся неизменными на много лет. Ведь в урановом котле извлекается только 0,1 % той энергии, которой располагает атомное ядро урана. Иными словами, если говорить о коэффициенте полезного действия не тепловом, а атомном, то в урановом котле он равен мизерной величине – 0,001.

Дело в том, что здесь используется только та энергия, которая высвобождается при делении ядра урана на два осколка. Если бы удалось использовать не кинетическую энергию двух осколков, а энергию всех частиц ядра, – тогда-то человек и получил бы в свое распоряжение полную мощь атома.

Заметим, что и другой из известных пока способов получения атомной энергии – с помощью термоядерных реакций – тоже не намного эффективнее цепной урановой реакции, – здесь извлекается 0,5 % атомной энергии.

Наука будущего найдет и другие, более эффективные способы получения и использования атомной энергии, как наука прошлого нашла пути использования тепла не на 3–4 % (вспомним первые паровые машины), а на 40–45 % (в лучших современных дизелях) и даже на 70–80 % (в комбинированных теплосиловых установках, где отходящее тепло используется на нужды обогрева жилых зданий и так далее).

Наука будущего постигнет тайну атома до конца, и тогда человечество получит безграничный источник энергии. Как неугасимо солнце, так неиссякаем и запас атомной энергии в окружающем нас мире.

И если уже сейчас из какого-нибудь куска урана можно извлечь в два миллиона раз больше энергии, чем из такого же куска угля, если уже сейчас всего 70 килограммов урана-235 заменят годовую работу такой мощной гидроэлектростанции, как Днепрогэс, то какие энергетические возможности откроются в самом недалеком будущем!

Наука развивается бурно. Не за горами то время, когда человек научится добывать атомную энергию не только из урана но и… из простого булыжника, из многих окружающих нас веществ. Тогда наступит изобилие энергии.

Вот почему атомная энергия – основной вид энергии будущего. Еще долго будет служить человечеству и неиссякаемая гидроэнергия и беспредельная энергия ветра. Но все тепловые двигатели на земле, на воде и в воздухе будут со временем работать на «атомном топливе».

И, может быть, научившись превращать атомную энергию непосредственно в энергию электрическую, человечество и вовсе откажется от тепловых двигателей, заменив их атомно-электрическими.

Окинем взглядом

В годы седой древности человек нашел себе «механического помощника» в примитивном водяном колесе. Несколько позже человек научился укрощать ветер.

Прошли тысячелетия, прежде чем ученые стали задумываться над использованием силы пара. Но от Геронова шара и пушки «Архитронито» должно было пройти еще около двух тысяч лет, пока человечество смогло заставить работать и пар. Наступила пора теплового двигателя.

Трудными путями, усилиями многих изобретателей, инженеров и ученых входил в жизнь первый универсальный двигатель – паровая машина. Но не успел этот первый тепловой двигатель достичь совершенства, как дорогу ему заступили другие, более удобные, более выгодные машины: паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания. Уже не тысячелетия, а лишь одно столетие отделяет появление первого работоспособного двигателя внутреннего сгорания от первой работоспособной паровой машины. И немногим более времени прошло до появления первой работоспособной паровой турбины.

Сроки сокращаются… Уже не беспомощные, слепые поиски, а наука стала управлять помыслами инженеров. Наука указывала кратчайшие пути, по которым следует идти в совершенствовании теплового двигателя. Наука повела инженеров на борьбу за тепловой двигатель с высоким термическим коэффициентом полезного действия. Наука открыла новые источники энергии.

В течение последних пятидесяти лет наука достигла особенно значительных успехов. Был разработан и затем воплощен в первые конструкции принцип реактивного двигателя. Были созданы на новой, высоконаучной основе газовые турбины. Открыта глубоко упрятанная природой атомная энергия.

Начинается, наконец, практическое использование свойств специальных веществ – «полупроводников», которые позволят превращать непосредственно в электрическую энергию энергию света и тепла – без промежуточных двигателей, в том числе и тепловых.

О «полупроводниковых» двигателях в этой книжке еще ничего не было сказано, но очень скоро о них придется говорить много и подробно.

Сроки продолжают сокращаться.

Быть может, пройдет еще совсем немного лет, и какой-либо читатель этой книги первый отправится в полет на межпланетном корабле или совершит первый кругосветный пробег на «атомном» автомобиле, или встанет на вахту дежурного инженера первой полупроводниковой электростанции…

К тому времени появятся новые двигатели – удобные, мощные, экономичные, малого веса и размеров. О них будут написаны и новые книги.