Вилли Лей - Ракеты и полеты в космос

• Название: Ракеты и полеты в космос
• Автор: Вилли Лей
• Издательство: 1-я типография Министерства обороны Союза ССР
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1960

Книга известного американского популяризатора ракетного дела и космических исследований Вилли Лея преследует цель показать в доступной форме развитие ракетной техники и идеи полета человека в космос, к другим небесным телам, с момента зарождения этой идеи и до наших дней.

Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся вопросами ракетостроения и космонавтики.

---

«Итоги первых экспериментов весной и летом 1937 года, — продолжал Кроу, — были ободряющими; ракеты казались вполне надежными, но с наступлением холодной зимы 1937/38 года стало очевидно, что качество созданной для этого типа ракет пластмассовой камеры сгорания было неудовлетворительным.

Примерно через год после разработки 5-см ракеты возникла необходимость в создании еще более крупной и мощной ракеты с характеристиками, приближающимися к характеристикам нового 94-мм зенитного орудия, которое должно было поступить на вооружение... В связи с этим срочно началась разработка 76-мм ракеты, которая была закончена к осени 1938 года, а следующей весной уже подверглась полигонным испытаниям. В течение зимы 1938/39 года на Ямайке было проведено около 2500 запусков по программе баллистических испытаний ракеты.

Результаты оказались неприемлемыми для имперского генерального штаба, так как характеристики были ниже требуемых, а в точности стрельбы новая ракета серьезно уступала 94-мм зенитному орудию. Тем не менее разработка этой ракеты с целью улучшить ее кучность продолжалась вплоть до начала войны».

Месяца через четыре после начала войны было решено, что даже такое оружие, которое не обладает достаточной точностью стрельбы, все равно найдет себе применение, в связи с чем было дано указание запустить 76-мм ракету в производство. К тому времени была создана и пусковая установка для этой ракеты. В течение 1940—1941 годов было изготовлено несколько тысяч таких установок, предназначавшихся для обороны наиболее важных объектов— крупнейших военных заводов и железнодорожных пунктов снабжения. В ноябре 1941 года по образцу одинарной была создана спаренная пусковая установка. Позднее появились установки для залпового пуска, обеспечивавшие батареям 76-мм ракет массированное ведение огня залпами по 128 ракет. Еще более поздним шагом была разработка 127-мм ракеты для сухопутных войск; в наставлении к ней говорилось, что она может нести боевую головку весом 13,5 кг на расстояние от 3 до 6 км.

Как уже упоминалось, к научно-исследовательской работе в области боевых ракет США приступили в 1940 году. Несмотря на то, что американцы работали самостоятельно, им были знакомы английские модели ракет, поэтому они могли легко избежать любой ошибки, допущенной в Вулвиче. История развития американского ракетостроения уже рассказана людьми, более осведомленными в этом вопросе, то есть теми, кто руководил этой работой и вел ее. Я же ограничусь лишь описанием некоторых технических вопросов и покажу, каким образом они решались американскими инженерами.

Очевидно, изобретение высококачественного порохового ракетного заряда еще не решало всей проблемы; нужно было сделать так, чтобы при использовании его в качестве двигательной установки ракете обеспечивалась равномерная тяга, а этого как раз и нельзя было добиться в ракете на обычном черном порохе. В такой ракете тяга почти внезапно и очень быстро возрастает до определенной величины, скажем до 7 кг, и сохраняется на этом уровне в течение четверти секунды или около этого, затем также быстро падает, пусть до 0,5 кг, и остается на этом уровне в течение еще 1—2 секунд. Проектировщики хотели получить такую ракету, которая быстро развивала бы определенную тягу, сохраняла бы ее некоторое время и затем уже прекращала бы работу. Кривая в графике изменения тяги во времени у такой ракеты должна была быть похожей на профиль длинного плоского здания с наклонными стенами (так называемая кривая с плоским верхом).

Такая кривая тяги может быть получена только в том случае, если истекающие газы ракетного двигателя будут постоянными в отношении как скорости истечения, так и объема (массы) на протяжении всей его работы. Поэтому было необходимо получить такую шашку пороха, которая горела бы ровно. Чтобы понять, в чем здесь дело, представьте, что ваша пороховая шашка имеет форму шара и горит только на поверхности. По мере сгорания этого шара его поверхность становится все меньше и меньше. Поэтому количество генерируемого газа также уменьшается, и кривая тяги идет вниз, Данная проблема осложняется еще и тем, что сгорание происходит в замкнутом пространстве, имеющем только один выход — сопло, в связи с чем всякое повышение давления в камере сгорания приводит к изменению скорости горения ракетного заряда.

Одно из наиболее часто применяемых решений этой проблемы заключается в том, чтобы придать ракетному заряду форму толстостенной трубки, которая горела бы как «вовнутрь» (при этом поверхность горения уменьшается), так и «изнутри» (при этом поверхность горения увеличивается). Таким образом оба процесса должны уравнивать количество выделяющихся газов в течение всего процесса горения. Но добиться такого горения нельзя в пороховом ракетном заряде, который плотно прилегает к стенкам ракеты; его нужно держать в «подвешенном» состоянии (рис. 30).

Рис. 30. Ракеты на твердом топливе.

Вверху — ракета с бронированной пороховой шашкой;

внизу—ракета с пороховой шашкой, горящей по всей поверхности

В Англии это поняли еще в самом начале работ над пороховыми двигателями. Англичане называли такой заряд «свободным». Исследователи в Америке решили по-своему и назвали аналогичный заряд «шашкой с горением по всей поверхности». Для лучшего понимания существа вопроса остановимся на понятиях «шашка», «толщина стенки» и «решетка». Пороховая шашка представляет собой кусок порохового заряда любой формы и размеров. Сейчас имеются шашки длиной в 1 м и весом до 500 г на каждый дюйм их длины (200 г/см). Всякая шашка имеет определенный диаметр, но не он является ее главной характеристикой; поскольку шашки обычно изготовляются полыми, толщина их стенок не менее важна, чем диаметр. За толщину стенки трубчатой шашки принимается ее максимальная толщина. Решеткой называется приспособление, удерживающее шашку в определенном положении.

Прекрасным примером по простоте устройства и характеристикам является современная авиационная 127-мм ракета на твердом топливе, известная под названием «Холи Мозес». На рис. 31 изображены три основные части этой ракеты: боевая головка, ракетная часть (ракетный двигатель) и хвостовая часть со стабилизатором.

Рис. 31. 127-мм авиационная ракета "Холи Мозес"

Пороховая шашка в этой ракете имеет при весьма толстых стенках крестообразное сечение, что делает ее очень удобной для серийного производства. Такая форма сечения шашки обеспечивает ровное горение с незначительным отклонением в количестве образующихся газов. Чтобы получить требуемую скорость горения, некоторые участки шашки могут бронироваться полосками из пластмассы, ограничивающими горение. В очень длинных шашках желательно бронировать только ту часть шашки, которая находится ближе к соплу. Это делается для того, чтобы рядом с соплом не образовывалось слишком много газов, которые могут блокировать газы, выделяющиеся в передней части двигателя, и таким образом разорвать двигатель.

В течение некоторого времени исследователи бились над решением одной весьма любопытной проблемы. Известно, что шашки, изготовленные из двухосновного пороха, не всегда безупречны. Они могут, например, иметь внутренние пустоты, которые приводят к тем же отрицательным последствиям, что и трещины в шашках из черного цороха. Обнаружить такие пустоты было нелегко, тем более, что применяемое для стабилизации горения вещество заставляло пороховой заряд темнеть по мере его старения. Поэтому с большой радостью было встречено сообщение о том, что с помощью карбамита шашки можно делать полупрозрачными. Эти шашки было легче проверять, но на испытаниях оказалось, что каждый второй заряд разрывает двигатель. Темные шашки, которые, возможно, имели крупные- пустоты и дефекты, приводили к меньшему количеству взрывов, чем полупрозрачные. Тщательное изучение показало, что при горении полупрозрачной шашки происходит какой-то неизвестный процесс, который был назван «термитным растрескиванием», потому что частично сгоревшие шашки выглядели так, словно их изъели термиты.

Пришлось провести целую серию исследований, чтобы установить, что происходит в этих шашках. Оказалось, что когда шашка горела, то выделялась не только тепловая, но и световая энергия, которая, проникая в виде лучей внутрь прозрачной шашки, абсорбировалась микроскопическими частицами пыли, вкрапленной в порох. Поглощая лучи, эти частицы нагревались до такой степени, что воспламеняли порох, находившийся рядом с ними. В результате образовывались местные очаги горения, которые и приводили к характерному «растрескиванию» пороха, сопровождаемому взрывами. Именно в силу этих обстоятельств в настоящее время все шашки имеют черный цвет.

После того как были решены проблемы размеров шашки, толщины ее стенок, диаметра сопла и другие вопросы, связанные с двигателем, возникла еще одна проблема, проблема стабилизации ракеты на полете. Предыдущая практика показывала, что стабилизировать ракету можно двумя путями. Один путь был подсказан древней стрелой, другой, более современный, — винтовочной пулей. В применении к ракетам эти методы можно назвать соответственно аэродинамической стабилизацией и стабилизацией вращением. Аэродинамическая стабилизация требует создания специальных приспособлений — стабилизаторов в хвостовой части ракеты и зависит от скорости движения ракеты на активном участке траектории.