Виктор Князьков - На стартовой позиции
Он превращает либо химическую энергию, либо тепловую, электрическую в механическую работу вращения. У автомобиля это вращение колеса, у самолета — воздушного винта, у парохода — гребного винта и т. д., словом, вращение движителя. Движитель (колесо, винт), вращаясь, взаимодействует со средой соприкосновения (грунт, рельс, воздух, вода), стремится отбросить или отбрасывает ее назад, а сам транспорт движется вперед. Силы, приложенные к отбрасываемой «порции» воздуха или воды, одинаковы по своей величине с силой, приложенной к самолету пли пароходу, но направлены в обратную сторону. Из школьного курса физики мы знаем, что если силу, с которой отбрасывается воздух или вода, считать активной, то сила, заставляющая двигаться самолет или пароход, будет… реактивной. Значит, по своей природе движение парохода и самолета реактивное.
А у автомобиля, тепловоза или, скажем… человека? — спросит читатель. Ответ прост. Они гоже, при своем движении отбрасывают «порцию» массы. Но этой порцией является масса… Земли. Принцип движения здесь тоже реактивный. Только одно… но. Суммарная масса всех средств и существ, движущихся по Земле, ничтожна, несоизмеримо мала по сравнению с массой Земли. Поэтому она и «не движется» в обратном направлении, подобно «порции» водуха или воды.
Во всех рассмотренных случаях есть одна немаловажная деталь. А именно — движение осуществляется за счет силы двигателя или мускульной энергии, но реакция на отбрасываемую массу передается через движитель (колесо, винт и т. д.). Это характерная деталь. Запомним ее.
Ну, а как же движется ракета, за счет чего? У нее ведь нет ни колеса, ни винта…
Разберемся по порядку.
Представим себе, что камера сгорания ракетного двигателя заполнена газами под давлением и сопло ее плотно закрыто крышкой. Давление на стенки камеры и крышку одинаково. Все результирующие силы, как боковые, так и осевые, попарно взаимно компенсируются. Нет движения газов — камера сгорания на месте.
Допустим, что крышка, закрывающая сопло, мгновенно открылась. И тут же равновесие сил нарушается. Это, как видно из рисунка, происходит за счет осевых сил давления.
Схема, иллюстрирующая принцип реактивного движенияГаз получает свободу движения. Вследствие этого возникает результирующая сила внутреннего давления — она направлена по оси камеры влево. Это и есть не что иное, как реактивная сила. Газ вырвется наружу вправо, а возникшая реактивная сила толкнет камеру влево: подобно тому, как при выстреле под действием пороховых газов заряд дроби летит из ствола в одну сторону, а ружье — в противоположную. Правда, оно никуда не улетает. Охотник удерживает ружье и ощущает действие реактивной силы, как отдачу — легкий толчок в плечо. Образно говоря, в ракетном двигателе «выстрелы» раздаются непрерывно, а микроскопические частицы раскаленных газов вылетают из «ствола», в данном случае из сопла двигателя.
Вглядевшись в рисунок внимательней, мы найдем ответ на вопрос о движителе. Действительно движение возникает в результате прямой реакции (взаимодействия) двух тел: газа — с одной стороны и самой камеры — с другой, без каких-либо «посредников» — колеса, винта и т. д. Значит, остается только одно — сама камера сгорания одновременно является двигателем и движителем. В этом главное отличие реактивного двигателя от остальных. Он является двигателем прямой реакции.
Мы часто слышим выражения «принцип реактивного движения», «реактивная сила»; но «ракетный двигатель». В чем дело? Какая разница между определениями «реактивный» и «ракетный»?
Прежде всего запомним, что понятие «реактивный» более широкое, чем «ракетный», так как в нем отражен сам принцип движения. Класс реактивных двигателей необычайно широк. Он объединяет все двигатели прямой реакции.
Ракетные двигатели — это подкласс реактивных. Отличительной особенностью ракетного двигателя является независимость его работы от внешних условий: все компоненты топлива для его работы размещены на борту ракеты. Благодаря этому она способна двигаться в любой среде.
Итак, ракетный двигатель — это мощная тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в кинетическую энергию продуктов сгорания (газов), выбрасываемых с огромной скоростью из его сопла.
В настоящее время среди ракетных двигателей наибольшее распространение получили два вида: ЖРД — жидкостные ракетные двигатели и РДТТ — ракетные двигатели твердого топлива.
Любой двигатель состоит из целого ряда агрегатов, узлов и систем. Основной агрегат — камера сгорания. В ней в результате экзотермической реакции окисления, то есть горения, компоненты топлива превращаются в рабочее тело — продукты сгорания. При этом выделяется огромная тепловая энергия: давление в камере повышается. Оно-то и заставляет продукты сгорания, ускоряясь по длине камеры, и особенно сопла, выбрасываться наружу с большой скоростью. Чем выше скорость истечения продуктов сгорания у среза сопла, тем лучше. А для ракеты, как нам известно, это особенно важно. Поэтому камера сгорания и сопло выполняются определенной формы для того, чтобы у среза сопла газы имели максимально возможную скорость. Наука, занимающаяся изучением движения продуктов сгорания в камере ракетного двигателя, называется термодинамикой. Настоящему ракетчику необходимо овладеть основами этой науки.
У жидкостного ракетного двигателя немаловажной составной частью является система подачи топлива. Ее назначение состоит в том, чтобы обеспечивать подачу компонентов топлива в камеру сгорания в необходимой пропорции и под определенным давлением.
В двигатель входят также трубопроводы, дозирующие устройства, различного рода датчики, клапаны, элементы автоматического регулирования работы двигателя, системы заправки, слива топлива, запуска и выключения двигателя. Поэтому применительно к ЖРД правильнее его называть не двигателем, а двигательной установкой.
С устройством и работой наиболее распространенных ракетных двигателей мы познакомимся ниже.
Значительное место в ракете занимает топливо. Это и понятно. Чем больше топлива на борту ракеты, тем она дальше полетит. В ракетах дальнего действия почти все пространство внутри огромного корпуса заполнено топливом. Его запас составляет 80 и более процентов от начального, стартового, веса ракеты.
Непременные компоненты топлива — горючее и окислитель. В обычных условиях процесс горения поддерживается, если так можно выразиться, автоматически — за счет воздуха. Так, например, горят дрова в костре, каменный уголь или мазут в топке парохода. А на больших высотах, в стратосфере, куда залетает ракета, воздуха практически нет. Вот и приходится загружать ракету окислителем, причем брать его значительно больше, чем горючего. Это видно, например, из следующего соотношения: для полного сгорания килограмма такого вида горючего, как керосин, требуется 14,8 килограмма воздуха, или 5,5 килограмма азотной кислоты, или 3,37 килограмма жидкого кислорода.
Большинство жидкостных ракетных двигателей работает на двухкомпонентном топливе. На борту ракеты компоненты хранятся раздельно, в разных баках, и соединяются только в камере сгорания.
В качестве горючего могут применяться керосин, спирты и другие вещества. Окислительным компонентом могут служить кислоты с большим содержанием кислорода, например азотная кислота, а также другие вещества: четырехокись азота, жидкий кислород и т. д.
Топливо для работы ракетного двигателя может быть не только в жидком, но и в твердом агрегатном состоянии. Поэтому твердое топливо содержит горючие и окислительные элементы одновременно.
В одном случае эти элементы могут представлять собой твердый раствор и их называют двухосновными (медленно горящий ракетный порох); в другом случае механическая смесь зерен горючего и окислителя — это смесевые топлива.
Твердое двухосновное топливо обычно прессуется в шашки различной формы. Смесевое топливо заливается непосредственно в камеру сгорания и, остывая в ней, твердеет, прочно соединяясь с внутренней поверхностью стенки. Оно отливается также и в виде отдельных шашек.
Одна или несколько шашек твердого топлива, помещенных в камеру сгорания, составляют весь запас топлива данного двигателя и называются топливным зарядом.
ЭЛЕКТРОННЫЙ «МОЗГ»Назначение систем управления — повышение точности стрельбы. Это своеобразный электронный «мозг» ракеты, который точно ведет ее по расчетной траектории к цели.
Все системы управления по принципу действия можно разделить на четыре основные группы: инерциальные, системы телеуправления, самонаведения, комбинированные.
В инерциальных системах все сигналы управления вырабатываются аппаратурой, расположенной непосредственно на борту ракеты в соответствии с заранее установленной программой полета.
