На главную сайта   Все о Ружанах


С.П. Королев

Ракетный полет в стратосфере


Государственное военное издательство
Москва, 1934

Наш адрес: ruzhany@narod.ru

Глава III
История возникновения ракетных двигателей.
Понятие о ракетных двигателях и их элементах.
Краткая классификация существующих ракетных систем

Появление ракет относится к глубокой древности. Несколько тысяч лет тому назад в Китае во время войн употреблялись «огненные стрелы». В качестве начинки применялся изобретенный китайцами задолго до его открытия в Европе пороховой состав.

В Европе ракета появляется около 400-х годов общепринятого летоисчисления. Есть отрывочные сведения о том, что ракеты применялись для поджога неприятельских лагерей в средневековых войнах, а также в XVIII в. в Индии, где английский генерал Конгрев добился дальности полета ракет около 3 км.

В 1881 г. русский революционер Н. И. Кибальчич, находясь в тюремном заключении, разработал проект ракетного аппарата. После казни Кибальчича его проект остался в архивах жандармерии.

Основоположником и теоретиком ракетного полета справедливо считается Константин Эдуардович Циолковский, наш русский ученый, известный своими работами в различных областях науки.

Его первые работы по ракетному полету относятся еще к 1903 г., когда было опубликовано его «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (Москва, «Научное обозрение»). Им заложены основы теории ракетного полета, дан целый ряд проектов ракетных летательных аппаратов и исследованы многочисленные вопросы, связанные с полетом человека на больших высотах и в космическом пространстве.

Всем известны конечно работы К. Э. Циолковского над созданием цельнометаллического дирижабля. Однако лишь после Октябрьской революции эти его работы, а равно проблему полета при помощи ракетных аппаратов стали разрабатываться и осуществляться. Несмотря на преклонный возраст и большую занятость, к. Э. Циолковский и в настоящее время продолжает свои работы.

Ближайшим последователем идей К. Э. Циолковского и горячим сторонником и энтузиастом ракетного дела был высоко талантливый инженер-изобретатель Фридрих Артурович Цандер (1887–1931 гг.).

Благодаря его работам за последние 10 лет были созданы прототипы первых советских ракетных двигателей. Ф. А. Цандер умер в 1933 г., но сумел создать дружный коллектив работников, своих учеников и последователей.

Почти одновременно с работами русских ученых над разрешением проблемы ракетного полета ведутся аналогичные работы и за рубежом. В 1913 г. Эспо-Пельтри (Франция) опубликовал теоретические труды по вопросам ракетного полета. Американский ученый Роберт Годдар независимо от К. Э. Циолковского в 1919 г. разработал теорию ракеты. Он же впервые подошел к разрешению проблемы экспериментальным путем, поставив ряд опытов. Немецкий ученый Герман Оберт в 1922 г. самостоятельно разработал ряд вопросов по теории ракетного полета и проделал практические работы и исследования. Оберт осуществил целый ряд своих конструкций ракетных моторов и аппаратов.

Минувшее десятилетие неслучайно протекало под знаком все увеличивающегося интереса к проблеме полета при помощи ракетных двигателей. В капиталистических странах стремление совершенствовать авиацию как оружие грядущих войн привело к усиленной работе над увеличением высоты и скорости полета самолетов. А эти задачи, как мы уже видели из предыдущего изложения, разрешаются только при полетах высоко над землей, в стратосфере.

Вот почему так быстро и так сильно возрос интерес к проблеме ракетных двигателей и летательных аппаратов, снабженных двигателями такого типа, так как только они смогут достичь сколько-нибудь значительных высот.

Принцип работы ракетного двигателя необычайно прост и заключается в следующем. При взрыве внутри замкнутого со всех сторон сосуда образовавшиеся газы оказывают одинаковое давление на все стенки последнего. Если же сделать отверстие например в нижней стенке сосуда, то через него газы будут вытекать до тех пор, пока давление в сосуде не сравняется с давлением наружного воздуха (рис. 6). При этом давление на боковые стенки сосуда будет взаимно уравновешено, а в направлении, обратном истечению газов, сосуд будет испытывать давление, под влиянием которого начнет двигаться.

Сила, которая будет действовать на наш сосуд в направлении, обратном направлению струи вытекающих газов, называется реактивной силой или силой тяги ракетного двигателя. Сосуд, в котором происходит процесс взрыва или сжигания, называется камерой сгорания. Отверстие в камере сгорания, предназначенное для истечения газов, обычно снабжается конусообразным соплом.

 
Рис. 6. Схема действия
ракетного двигателя.

В камеру сгорания можно заранее поместить взрывчатое или горючее вещество, которое, будучи зажжено, образует внутри камеры газ под большим давлением. При истечении газа через сопло в атмосферу как следствие появится реактивная сила, и если наша камера не закреплена, то она начнет под действием этой силы двигаться.

Таким простейшим типом ракетного аппарата является обыкновенная, хорошо всем знакомая феерверочная ракета.

Если в камеру сгорания подавать все новые и новые порции взрывчатого или горючего вещества, то можно не ограничиться только одной кратковременной вспышкой, а достичь установившейся работы двигателя в течение некоторого промежутка времени.

Ракетный двигатель подобно двигателю внутреннего сгорания может при изменении подачи горючего состава по желанию своего водителя уменьшать или увеличивать интенсивность своей работы, может быть остановлен и легко запущен снова.

Особенностью большинства ракетных двигателей является то, что горючий состав, на котором они работают, будь то порох или какие-то жидкие топлива, подается в камеру сгорания одновременно с окислителем, т. е. с веществом, содержащим необходимый для горения кислород.

Таким образом работа ракетного двигателя не зависит от плотности окружающего воздуха и может происходить даже в безвоздушном пространстве. Поэтому ракетный двигатель и является наиболее приспособленным для работы в разреженных слоях атмосферы – в стратосфере.

Ракетные двигатели, которые в качестве окислителя берут кислород из окружающего воздуха (так называемые «воздушные» ракетные двигатели), хотя и зависят от плотности атмосферы и следовательно не могут работать в безвоздушном пространстве, благодаря получающимся при этом большим скоростям полета все же имеют значительно более высокий «потолок», чем, скажем, высотные авиамоторы с нагнетателями.



Рис. 7. Схема порохового ракетного двигателя.

На рис. 7 изображена простейшая схема ракетного двигателя на твердом горючем. В качестве такого горючего могут быть использованы порох в различных видах или иные горючие составы, выделяющие значительное количество газов. Двигатель представляет собой камеру сгорания с толстыми стальными стенками, рассчитанными на то, чтобы выдержать давление газов при взрыве.

Горючий состав закладывается в камеру предварительно и затем воспламеняется при помощи электрического запала, зажигающего сперва воспламенитель, а затем уже основную массу заряда. При взрыве камера сгорания под действием реактивной силы начнет быстро двигаться в направлении стрелки. Если камера сгорания укреплена в системе какого-то прибора (снаряда или летательного аппарата с крыльями), то последний так же начнет двигаться.

На рис. 8-9 дана схема простейшего ракетного двигателя, работающего на жидком топливе. Здесь в качестве топлива могут быть применены самые различные вещества, например бензин, спирт, керосин, и др. В качестве окислителя может быть взят жидкий кислород или воздух. Вводя в камеру сгорания одновременно в соответствующей пропорции топливо и окислитель и воспламеняя смесь, мы приводим наш ракетный двигатель в действие.

Питание двигателя на схеме (рис. 8-9) изображено следующим образом.

Топливо находится в одном баке, а окислитель – в другом. Баки через запорные краны соединяются трубками с форсунками, установленными на камере сгорания и распыляющими попадающую в них жидкость.



Рис. 9. Схема жидкостного ракетного двигателя.

Для того чтобы подать жидкие компоненты (топливо и окислитель) в камеру сгорания под некоторым давлением (а во время работы в камере сгорания все время держится давление), применена следующая схема. Взят баллон со сжатым воздухом, соединенный через редукционный вентиль с баками горючего и окислителя. Отрегулировав редуктор на определенное нужное давление, начинают пускать сжатый воздух в баки. Благодаря этому, как только открываются краны и форсунки, горючее и окислитель выжимаются из баков и начинают поступать в камеру сгорания. От свечи и пускового магнето дается искра, которая воспламеняет имеющуюся в камере смесь, и двигатель начинает работать. Зажигание достаточно дать только в первый момент, а затем вновь поступающие порции топлива будут воспламеняться сами. Регулируя подачу жидких компонентов, можно по желанию изменять силу тяги двигателя и даже совсем его остановить.

Описанная нами схема жидкостного ракетного двигателя понятно является простейшей, популярной схемой. На самом деле устройство ракетного мотора и всех его агрегатов не так просто и требует целого ряда различных устройств, приборов и пр. Но при всем этом ракетный двигатель неизмеримо более прост и в постройке и в эксплоатации, чем любой из иных существующих систем двигателей. Достаточно указать хотя бы на полное отсутствие у ракетного двигателя вращающихся частей или деталей, требующих особо точной пригонки и т. п.

Наиболее сложным вопросом в работе жидкостных ракетных двигателей является необходимость применять жидкие газы. Как мы уже говорили, большинство ракетных двигателей работает на подающейся непосредственно в камеру сгорания смеси топлива с окислителем. Благодаря этому работа двигателя не зависит от плотности окружающего воздуха и может происходить даже в очень разреженной атмосфере. Но так как для горения топлива в двигателе требуется значительное количество кислорода, особенно в случае необходимости получить большую силу тяги (мощные двигатели требуют большего его расхода, то не представляется возможным применять кислород в каком-либо ином виде, кроме жидкого.

Если подавать кислород в сжатом виде, то для этого потребуются компрессор громадной производительности, требующий для своей работы энергии какого-то двигателя, или же целая батарея кислородных баллонов. Понятно, что никакой летательный аппарат не сможет оторваться от земли с подобной нагрузкой. Работа же с жидким кислородом или другими подобными по свойствам окислителями сопряжена с целым рядом серьезных затруднений и требует большой осторожности.

Применение жидкого кислорода позволяет ракетному двигателю работать, не теряя мощности, в сколь-угодно разреженной среде. Более того: чем меньше плотность последней, тем более благоприятны условия для работы двигателя, так как уменьшается противодавление вытекающим газом. Однако и теоретические расчеты и затем подтвердившие их опыты и исследования дают нам не совсем благоприятную характеристику жидкостных ракетных двигателей в отношении количества расходуемой ими горючей смесн. Так установлено, что сила тяги двигателя растет прямо пропорционально количеству сжигаемого топлива, т. е. чем большую мы хотим получить силу тяги, тем большее количество топлива (горючего и окислителя) надо сжечь в 1 секунду в камере сгорания. Кроме того жидкий кислород сам по себе имеет довольно значительный удельный вес (1,135). Поэтому всякий жидкостный ракетный двигатель требует для своей работы большого количества тяжелого топлива. Если обратиться к двигателям внутреннего сгорания, то у них в этом отношении дело обстоит значительно лучше. В качестве горючего они употребляют бензин, расход которого составляет у современных типов 220–250 г на 1 л. с. в час, а кислород берется из окружающего воздуха. При ракетнрм же двигателе в до-полнениие к горючему надо брать и жидкий кислород. Все это побудило искать какие-то новые пути. Как на один из них можно указать на сравнительно недавно предложенный Лореном новый тип двигателя, так называемый воздушный ракетный двигатель. Теория такого двигателя впервые была дана советским ученым профессором Стечкиным в 1929 г.

Принцип работы воздушного ракетного двигателя заключается в том, что окислитель берется не в виде жидкого кислорода, как у обычных ракетных двигателей, а засасывается из окружающего воздуха. Для этого сам двигатель должен двигаться с большой скоростью, порядка например 100 м/сек (360 км/час) и более. На рис. 10 изображена схема воздушного ракетного двигателя в виде трубы, имеющей профилированный внутренний канал.

Через переднее отверстие воздух при полете двигателя засасывается внутрь канала, сжимается и, проходя в камеру сгорания, смешивается с подаваемым туда через специальную форсунку горючим. Смесь воспламеняется, сгорает и образовавшиеся продукты сгорания вытекают через сопло так же, как это происходит у всяких ракетных двигателей.


Рис. 10. Схема воздушного ракетного двигателя.

Скорость выходящих газов будет больше скорости засасываемого воздуха, и за счет этого система нашего двигателя или аппарата будет двигаться вперед.

Понятно, что поскольку воздушные ракетные двигатели для своей работы берут кислород воздуха, то они зависят от плотности окружающей атмосферы. Там, где атмосферы нет или она очень сильно разрежена, воздушные ракетные двигатели работать не смогут. Но так как на больших высотах летательный аппарат, снабженный воздушным ракетным двигателем, благодаря уменьшению сопротивления сможет развить очень большую скорость полета и следовательно количество кислорода, засасываемого в камеру сгорания, будет достаточным, то практически можно ожидать, что даже на очень больших высотах воздушный ракетный двигатель работать все же будет.

Для того чтобы воздушный ракетный двигатель начал работать, ему надо сообщить начальную скорость относительно воздуха. Находясь в неподвижном состоянии или при полете с малыми скоростями, такой двигатель работать не будет.

Естественным является вопрос каким же образом осуществить для воздушного ракетного двигателя такие начальные условия, при которых он смог бы работать. Очевидно, что для этого нужно сообщить аппарату, снабженному подобным двигателем, некоторый начальный разгон до той скорости, на которой сможет уже заработать воздушный ракетный мотор.

После того как будет достигнута нужная скорость, пускается в ход воздушный ракетный двигатель, а двигатели, служившие для разгона, выключаются. Дальнейший полет производится на окислителе, берущемся из воздуха, что ясно значительно облегчает вес самолета и следовательно условия его взлета и дальнейшего полета.

Надо отметить, что все эти предположения нуждаются в практической проверке.

Описанные схемы ракетных двигателей разделяют существующие типы в зависимости от применяемого топлива на три основных группы:

1) ракетные двигатели на твердом топливе, содержащем в себе и горючее вещество и необходимый для горения кислород;

2) ракетные двигатели на жидком топливе и жидком окислителе;

3) воздушные ракетные двигатели, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе и берущие нужный для горения кислород из окружающего воздуха.

Понятно, что все перечисленные системы могут иметь самые разнообразные конструктивные и эксплоатационные особенности. Они могут различаться продолжительностью своего действия, начиная от кратковременного реактивного выстрела до установившейся непрерывной работы двигателя в течение значительного промежутка времени. Различие может быть в принципе питания мотора, например: самотеком, под давлением сжатого воздуха или иного газа, при помощи специальных насосов и т. п. Могут быть применены самые разнообразные способы зажигания двигателей, управления и контроля за их работой и т. п.

Будучи установлены на соответствующие аппараты, ракетные двигатели могут быть подразделены по своему назначению на;

1) ракетные летательные аппараты (РЛА) или, как их просто называют, ракеты феерверочные;

2) сигнальные (звуковые, дымовые, световые и т. п.);

3) боевые или ракетные снаряды (различных боевых назначений);

4) градобойные (для рассеивания градовых облаков);

5) фоторакеты для целей аэрофотосъемки и для подъема на высоту других приборов для научных исследований;

6) РЛА или ракеты для переброски почты или грузов;

7) метеорологические ракеты для подъема на высоту метеорологических приборов.

В дальнейшем изложении будут описаны наиболее интересные типы РЛА или, как их часто называют, ракет. По устройству своему РЛА могут быть разделены на:

1) бескрылые РЛА или ракеты, ракетные снаряды и др.;

2) крылатые РЛА;

3) РЛА цельные, т. е. представляющие какой-то аппарат, конструкцию с установленной на ней ракетной моторной группой (камера сгорания, баки и пр.);

4) РЛА составные, состоящие из ряда последовательно действующих ракет, причем ракета, уже отработавшая, в полете для облегчения отцепляется и сбрасывается;

5) РЛА одномоторные и многомоторные, в зависимости от количества установленных на них камер сгорания и сопел;

6) РЛА с различными типами двигателей из числа описанных нами или комбинациями и сочетанием и

7) РЛА неуправляемые, т. е. имеющие неподвижные стабилизирующие поверхности, обеспечивающие устойчивый полет в заданном направлении;

8) РЛА управляемые, для чего у них должен быть специальный механизм для автоматического управления (в будущем у ракетных самолетов или ракетопланов управление очевидно будет осуществляться пилотом).

Несмотря на значительный интерес, возбуждаемый сейчас ракетной проблемой, и на то, что возможность полета при помощи двигателей, использующих реакцию струи вытекающих газов, в сущности говоря известна давно, в настоящее время ракетчики еще не настолько широко и многообразно развернули свою работу и еще не достигли таких результатов, таких успехов, чтобы можно было говорить о сколь-либо серьезной возможности и тем более необходимости в классификации существующих ракетных двигателей и их систем.

Поэтому достаточно ограничиться приведенным кратким перечнем уже имевших место случаев применения ракетных аппаратов для тех или иных целей оставляя все прочие вопросы в области фантастики где им пока что и надлежит по справедливости быть.


Яндекс.Метрика