Михаил Васильев - Путешествия в космос
Современный реактивный авиационный двигатель — двигатель высоких параметров. Свыше 1500° температура в его камере сгорания, сотни и тысячи метров в секунду — скорость газовых потоков в реактивном сопле, 15 тыс. оборотов в секунду — скорость вращения дисков компрессора и турбины.
Вместе с тем реактивный двигатель очень прост по своему устройству. У него нет частей, совершающих возвратно-поступательное движение, как у поршневого двигателя, нет или почти нет зубчатых и других передач. Даже в тех случаях, когда на валу такого двигателя устанавливают впереди пропеллер, это не требует сложных устройств, вроде тех, что существуют у поршневых моторов для превращения возвратно-поступательного движения во вращательное.
Но, конечно, торжество реактивного двигателя в авиации еще отнюдь не означает окончательной смерти поршневого двигателя. Реактивный двигатель в настоящее время еще несколько менее экономичен, чем поршневой. Поэтому он применяется главным образом в тех случаях, когда необходимо развить высокую скорость полета. На малых же скоростях полета, километров до 750 в час, еще долго основным видом самолетного двигателя будет поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Современная техника знает несколько видов реактивного двигателя. Мы здесь рассказали о так называемом турбореактивном двигателе (сокращенно — ТРД), наиболее широко распространенном в наше время. Такой двигатель наиболее удобен, экономичен для работы на скоростях свыше 750 километров в час и до 1500 километров в час.
При более высокой, чем последняя названная скорость целый ряд деталей реактивного двигателя становится ненужным, лишним. Двигатель еще упрощается.
В первую очередь отпадает необходимость в компрессоре. При скоростях свыше 1500 километров в час воздух специально сжимать уже не надо; он достаточно уплотняется стремительным движением самолета. Отпадает необходимость и в газовой турбине. Двигатель превращается по существу в трубу, в головное отверстие которой врывается сжатый движением воздух, в середине производится впрыскивание топлива и его сгорание, а задняя часть представляет собой расширяющееся сопло. Вообще никаких вращающихся и движущихся частей (если не учитывать насосов для подачи горючего) не содержит такой двигатель. Он называется прямоточным воздушно-реактивным двигателем (сокращенно — ПВРД).
ПВРД — двигатель будущего, двигатель сверхзвуковых самолетов.
Есть и другие системы реактивных двигателей: пульсирующий, с открывающимися и закрывающимися клапанами, турбовинтовые, снабженные в качестве движителя не только соплом, но и винтом, пороховые, работающие на твердом топливе, и т. д. Но они удобны при более низких скоростях, чем ТРД и ПВРД. В решении проблемы космических полетов они не сыграли и, по всей вероятности, не сыграют никакой роли.
САМАЯ ТРУДНАЯ ЧАСТЬ ПУТИ
А какое же значение могут иметь для решения проблемы космических полетов турбореактивный и прямоточный воздушнореактивный двигатели? Ведь они могут работать только в атмосфере, да и то не более чем до высоты в 40–50 километров. Дальше воздух становится столь разреженным, что его практически ни на какой скорости нельзя уже сжать до плотности, достаточной для горения топлива.
Но ведь этот первый участок пути — 40–50 километров сквозь атмосферу — и есть самый трудный участок. Большая часть горючего современной высотной ракеты тратится именно на преодоление этого участка пути.
Один из советских деятелей астронавтики, Н. А. Варваров, предложил применить для преодоления этого участка пути именно наиболее экономичные и удобные здесь турбореактивные и прямоточные воздушнореактивные двигатели.
Вот как представляет он себе взлет космического корабля.
Гигантский крылатый корабль с широкими крыльями, в которые вмонтированы прямоточные воздушнореактивные двигатели и под которыми в специальных кабинках подвешены турбореактивные двигатели, встанет у края наклоненной, устремленной ввысь эстакады, похожей на половину моста, ведущего в небо, но почему-то не достроенного его создателями.
Почти 5 километров будет длина этого моста — стартовой площадки для космического полета.
Крылатый корабль, очень похожий на сверхтяжелый самолет и не похожий на космическую ракету, какой мы ее себе сегодня представляем, не включая двигателей, помчится по эстакаде, увлекаемый специальной стартовой тележкой. Достигнув края эстакады, он, как камень, брошенный из пращи, полетит по воздуху. И вот тогда-то включаются турбореактивные двигатели, подвешенные под его крыльями. Они подхватят гигантский самолет и понесут его вперед и ввысь, все ускоряя скорость полета. До высоты около 20 километров и до скорости порядка 1500 километров в час поднимут и разгонят они корабль. А когда будут достигнуты эти величины, они отцепятся от широких крыльев самолета и спустятся на парашютах вниз.
На смену им включаются прямоточные воздушнореактивные двигатели, вмонтированные в крылья. Все выше и выше поднимают они самолет, все больше растет его скорость. Где-то на высоте около 50 километров, сообщив самолету скорость до 5000 километров в час, выключатся они и отвалятся вместе с большей частью широких крыльев корабля, уже не нужных ни в качестве «опоры» на воздух, ни в качестве баков для горючего.
И сразу корабль перестанет быть похожим на самолет и приобретет сходство с космической ракетой. Довершая сходство, включается его жидкостный ракетный двигатель еще разгоняя корабль и унося его ввысь. Может быть, не одна ступень, а две или три ступени жидкостных реактивных двигателей будет включаться последовательно. Но уже первая из этих ступеней включается не у Земли, а там, где почти нет атмосферы, и тогда, когда корабль набрал значительную часть космической скорости, когда он сделал первый шаг на пути к звездам.
Развивая свою идею, Варваров считает, что переход с одного типа двигателя на другой в дальнейшем можно будет осуществлять, не сбрасывая двигатели, а меняя корабли. Космический корабль для взлета с Земли превращается в целую серию аэропланов, предназначенных для полета на разных высотах и с разными скоростями. Сыграв свою роль, эти самолеты, ведомые собственными экипажами, опускаются на Землю.
Идея Н. А. Варварова — сменять на различных этапах взлета тип двигателя — бесспорно содержит рациональное зерно. В настоящее время имеются уже довольно детально разработанные проекты высотных ракет, в которых использована эта мысль. Так, в иностранной печати имеются сообщения о проекте составной ракеты для запуска искусственного спутника, первая ступень которого состоит из турбореактивных двигателей, подобных тем, что устанавливаются на современных реактивных самолетах. Это позволяет хотя бы на первом этапе пути использовать кислород не из баллонов, а из окружающего воздуха и тем самым несколько снизить взлетный вес составной ракеты.
Так представляют себе некоторые ученые старт космического корабля. Целый ряд двигателей сменит он на пути в небо. Первоначальную скорость ему придает, сбросив его с наклонной эстакады, электрическая платформа. Турбореактивные двигатели, подвешенные под крыльями, пронесут корабль со все возрастающей скоростью сквозь плотные слои атмосферы. Затем включаются прямоточные воздушно-реактивные двигатели, а сменит их жидкостный реактивный двигатель, и только вторая ступень жидкостной ракеты отправится в космический рейс. Отработавшие двигатели и части космического корабля будут сбрасываться.
ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Вот он, жидкостный реактивный двигатель современной высотной ракеты. Такие же двигатели унесут в космическое пространство и первый межпланетный корабль.
Но все же основным двигателем космического корабля ближайшего будущего станет жидкостный ракетный двигатель. Его идею выдвинул К. Э. Циолковский в 1903 году. Через 40 лет после этого жидкостный ракетный двигатель поднял ракету уже на высоту около 200 километров. Сегодня эта высота больше чем удвоена.
Устройство жидкостного ракетного двигателя просто. Никаких принципиальных изменений не смогли внести в него конструкторы и через 50 лет после рождения идеи.
И окислитель и горючее несет жидкостная ракета в своем корпусе. Они, конечно, разделены там, содержатся в разных баках. Наиболее часто в качестве горючего применяются спирты — метиловый и этиловый, реже бензин. В качестве окислителя обычно используют кислород.
Рассмотрим в качестве примера устройство жидкостной ракеты «Фау-2».
Два бака — со спиртом и с кислородом — заполняют основную часть корпуса ракеты.
