|
Глава VI
Аппараты и ракетные двигатели на жидком топлив
«Исполнителю предшествует мысль,
точному расчету – фантазия».
К. Циолковский
Русский ученый Константин Эдуардович Циолковский свыше 20 лет назад впервые предложил применять в качестве компонентов топлива для ракетных двигателей жидкие горючие вещества и окислители.
Несколько ранее, при разборе работ с объектами, снабженными пороховым и двигателями, нами уже указывались многочисленные недостатки и характерные присущие порохам особенности, значительно ограничивавшие их применение для полета.
Необходимо было перейти к каким-то иным топливам, к другим методам питания ракетных двигателей с тем чтобы получить их работу в виде непрерывного цикла и иметь возможность по желанию изменять режим работы мотора.
Таким образом переход от порохов к жидким топливам, переход, который рано или поздно сделали все без исключения экспериментаторы и работники ракетного дела, был естественным, логичным и незбежным.
Ракета, действующая на жидком топливе, была предложена К. Э. Циолковским еще в 1903 г. как средство для полета человека в межпланетном пространстве. В то время К. Э. Циолковский еще не дает конструктивного проекта своего звездолета, считая необходимой предварительную, более детальную разработку его идеи с принципиальной стороны. Приводим краткие описания схем ракет Циолковского, изображенных на рис. 26:
«Ракета (1903 г.) представляет металлическую продолговатую камеру, имеющую форму наименьшего сопротивления, снабженную светом, кислородом, поглотителями углекислоты и других животных выделений. Ракета предназначена не только для хранения различных физических приборов, но и для управляющего камерой человека. Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смещении тотчас образуют взрывчатую смесь. Вещества эти, правильно и довольно равномерно взрываясь в определенном месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам наподобие рупора или духового музыкального инструмента. Трубы эти расположены вдоль стенок камеры по направлению ее длины. В одном, узком, конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ; тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом, расширенном, ее конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью. Весь запас взрывчатого вещества расходуется в течение 20 минут. Труба, по которой текут газы, окружена кожухом с охлаждающей, быстро циркулирующей в нем жидкостью (водород или кислород), температура которой – около – 200°. Для того чтобы ракета при полете не вращалась, сила реакции должна проходить через центр ее инерции. Для восстановления случайно нарушенной инерции можно или перемещать какую-либо массу внутри ракеты, или поворачивать конец раструба или руля перед ним. Если управление устойчивостью вручную окажется затруднительным, то можно применить различные автоматические приспособления (жироскопы, магнитную стрелку, силу солнечных лучей и т. д). Когда нарушается равновесие ракеты, изображение солнца, полученное с помощью двояковыпуклого стекла, меняет свое относительное положение в ракете н возбуждает сначала расширение газа, потом электрический ток и затем передвижение масс (которых должно быть 2), восстанавливающих равновесие ракеты. Жироскоп может состоять из 2 быстро вращающихся в разных плоскостях кругов и также служит для устойчивости ракеты, действуя на пружинки, которые при деформации возбуждают электрический ток и влияют на передвижение масс.
Рис. 26. Схемы ракет К. Э. Циолковского. |
Толщина стенок трубы в случае стали будет не более 5 мм, однако она может расплавиться (температура плавления - 1300° R), поэтому следует применить более тугоплавкое вещество, например вольфрам с температурой плавления до 3200° С».
В дальнейших своих работах К. Э. Циолковский более подробно развивает и совершенствует свои проекты, не оставляя мысли о полетах в межпланетном пространстве.
«Ракета (1914 г. 1) в своей кормовой части состоит из 2 камер, разделенных не обозначенной на чертеже перегородкой. Одна камера содержит жидкий свободно испаряющийся кислород. Он имеет очень низкую температуру н окружает часть взрывной трубы и другие детали, подверженные высокой температуре. Другое отделение содержит в жидком виде углеводороды. 2 черных точки внизу означают поперечное сечение труб, доставляющих взрывной трубе взрывчатые материалы. От устья взрывной трубы (см. вокруг 2 точек) отходят 2 ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в начало трубы подобно инжектору. Свободно испаряющийся жидкий кислород в газообразном и холодном состоянии обтекает промежуточное пространство между двумя оболочками ракеты и тем препятствует нагреванию внутренности ракеты при быстром движении ее в воздухе. Взрывная труба делает несколько оборотов вдоль ракеты параллельно ее оси и затем несколько оборотов перпендикулярно. Цель этого устройства уменьшить вертлявость ракеты или облегчить ее управляемость. Эти обороты быстро движущегося газа заменяют массивные вращающиеся диски. Правое носовое изолированное, т. е. замкнутое со всех сторон, помещение заключает в себе:
1) газы и пары, необходимые для дыхания;
2) приспособления для сохранения живых существ от упятеренной или удесятеренной силы тяжести, например человек может находиться в лежачем положении в футляре с водой;
3) запасы для питания;
4) приспособления для управления, несмотря на лежачее положение в иоде;
5) вещества, поглощающие углекислый газ, миазмы и вообще все вредные продукты дыхания.
Внутренняя часть взрывной трубы может быть выложена каким-нибудь огнеупорным материалом: углеродом, вольфрамом пли тигельным веществом. Для сохранения устойчивости служат ранее описанные приспособления».
Надо сказать, что позднее в своей работе «Космическая ракета. Опытная подготовка», 1927 г., К. Э. Циолковский отказался от идеи устройства изогнутой взрывной трубы.
______________________
1 Описана К. Э. Циолковским в «Исследов. мир. простр. реак. приб.», Калуга, 1914 г.
Следующую свою ракету (1915 г.) К. Э. Циолковский описывает так:
«Труба А и камера В из прочного тугоплавкого металла покрыты внутри еще более тугоплавким материалом, например вольфрамом, C и D – насосы, накачивающие жидкий кислород и водород в камеру взрывания. Ракета еще имеет вторую наружную тугоплавкую оболочку. Между обеими оболочками есть промежуток, в который устремляется испаряющийся жидкий кислород в виде очень холодного газа. Он препятствует чрезмерному нагреванию обеих оболочек от трения при быстром движении ракеты в атмосфере. Жидкий кислород и такой же водород разделены друг от друга непроницаемой оболочкой (на чертеже не изображена), j – труба, отводящая испаренный холодный кислород в промежуток между 2 оболочками: он вытекает наружу через отверстия К – К. У отверстия трубы имеется не показанный на чертеже руль из 2 взаимноперпендикулярных плоскостей для управления ракетой. Вырывающиеся разреженные и охлажденные газы благодаря этим рулям изменяют направление своего движения и таким образом поворачивают ракету».
С развитием своих проектов К. Э. Циолковский все больше и больше уделяет внимание самому источнику движения ракеты – ракетному двигателю, вопросам подачи топлив, управления двигателем и т. д. Это вполне естественно, так как, только имея двигатель, работающий на совершенно новом принципе, при том достаточно надежный и совершенный, можно совершить полет на высоте и возможно когда-нибудь даже и в межпланетном пространстве.
Перед всяким исследователем, перед каждым работником в этой области должен в центре внимания стоять мотор. Достаточно убедительным примером может в этом отношении служить история развития авиации. До тех пор пока не было мотора, все проекты оставались в области фантазии, а практические попытки не шли дальше эпизодически совершаемых прыжков не небольшие расстояния, очень часто оканчивавшихся катастрофой. Еще и сейчас, несмотря на огромный прогресс техники авиационного моторостроения, многие задачи не решены из-за несовершенства моторных агрегатов.
Все остальные, пусть даже самые сложные, вопросы в процессе работы с летающими моделями объектов и целыми объектами (а летать они будут наверняка в том случае, если есть надежный двигатель) несомненно будут своевременно и достаточно полно разрешены.
В качестве горючих для ракетных двигателей были предложены в основном хорошо известные жидкости, бензин, спирт, керосин, нефть, жидкий водород и др. Окислителем чаще всего служили жидкий воздух или жидкий кислород, а в некоторых случаях взамен последнего употреблялись кислоты.
Жидкий воздух представляет легко подвижную прозрачную жидкость бледноголубоватого (небесного) цвета с температурой – 190° С – при атмосферном давлении и –210° С – в пустоте. При добывании полученный воздух бывает мутным вследствие примеси твердой углекислоты, но после профильтрования он становится прозрачным, а твердая углекислота отлагается на фильтре в виде осадка. Из жидкого воздуха, содержащего 21% кислорода и 79% азота, вначале выделяются при испарении «пары воздуха», содержащие 7% кислорода н 93% азота, потом аргон. По мере испарения остающийся жидкий воздух становится поэтому все более богатым кислородом, вследствие чего его бледноголубоватый цвет принимает густой оттенок. По испарении ¾ всего количества жидкого воздуха в остатке содержится уже 50% кислорода, а когда останется 1/25 доля, то в таком остатке будет содержаться до 90% кислорода. Таким путем нельзя получить чистого кислорода, и для этой цели применяют способы такие же, как на ректификационных винокуренных заводах для очистки спирта. Сохраняют жидкий кислород или воздух в стеклянных сосудах Дюара или специальных баках. Сосуды и баки имеют двойные стенки, из пространства между которыми выкачивается воздух. Это делается для того, чтобы устранить нагревание вследствие проводимости материала, из которого сделаны сосуды. Стенки со судов для отражения лучистой теплоты серебрятся. Тем не менее жидкий кислород очень быстро испаряется, и поэтому нельзя закрывать сосуды или баки герметически, так как может произойти разрыв их вследствие высокого давления паров, образующихся при испарении. Жидкий кислород можно переливать из одного сосуда в другой, но для избежания разрыва сосуда сначала пускают в него холодные газы, а уже затем вливают жидкость. Лучше всего переливание делать, соединяя оба сосуда трубкой, один конец которой глубоко погружен в кислород. Затем посредством сжатого воздуха в сосуде с жидким кислородом создается небольшое (1 – 1½ атм) избыточное давление и жидкость по трубке перетекает в другой сосуд. Можно и не пользоваться сжатым воздухом, а после соединения сосудов трубкой герметически закрыть кислород, тогда через короткий промежуток времени благодаря испарению в сосуде создастся давление и жидкость по трубке будет перетекать в другой сосуд. Обращение с жидким кислородом очень несложно и в основном требует только аккуратности и внимания. Однако при пользовании им, транспортировке, хранении и т. п., надо принимать все меры предосторожности, так как ожоги его чрезвычайно опасны.
Рис. 27. Схема жидкостного ракетного двигателя. |
|
