К. Э. Циолковский (1857—1935)

Март 1946 г. Залит огнями зал заседаний Верховного Совета в Кремле. Идет совместное заседание обеих палат Верховного Совета Советского Союза. Депутаты слушают доклад о первом послевоенном пятилетнем плане — великом Сталинском плане восстановления и развития народного хозяйства.

Тяжелые раны нанесла нашей Родине невиданная в истории человечества война, в которой героический советский народ наголову разгромил своего заклятого врага. Но неисчислимы силы нашего могучего народа — об этом еще раз свидетельствуют строгие цифры нового плана.

За пять лет страна наша не только залечит военные раны, но станет еще более прекрасной, еще более могучей, способной отразить любое покушение на ее свободу, любую авантюру поджигателей войны, мечтающих о мировом господстве.

С особым вниманием слушают депутаты разделы плана о работах по новой технике, призванной усилить мощь нашего государства, в том числе о работах по развитию реактивной техники. Эта техника основана на применении двигателей нового типа, создающих новые скорости и мощности — реактивных двигателей.

Применение реактивной техники является одним из крупнейших научно-технических достижений последнего десятилетия.

Наша страна занимает ведущее положение в развитии реактивной техники. Это ведущее положение завоевано трудами многих замечательных русских ученых, изобретателей и исследователей и, в первую очередь, классическими, всемирно известными работами великого русского ученого К. Э. Циолковского, полвека тому назад впервые в истории мировой науки разработавшего основы теории реактивного движения.

Первый в мире самолет с реактивным двигателем взлетел в советское небо, управляемый советским летчиком. Грозное реактивное оружие, созданное нашими замечательными конструкторами, завоевало в руках славных советских воинов всемирную славу в годы Великой отечественной войны.

Реактивные самолеты разнообразных типов бороздят советское небо, охраняя мирный труд нашего народа, радуют своим стремительным полетом сотни тысяч москвичей на ежегодных традиционных праздниках в Тушине.

Окруженные любовью и заботой всего народа, пользуясь помощью и поддержкой партии и правительства, ученые и конструкторы, инженеры и рабочие, летчики и воины Советской армии неустанно развивают и укрепляют могучую советскую реактивную технику, множа мощь и славу нашей Родины.

Самые широкие круги трудящихся интересуются реактивной техникой, устройством, особенностями и применением реактивных двигателей, возможностями их будущего развития.

В настоящее время известны и применяются реактивные двигатели различных типов. Одними из наиболее интересных и перспективных являются так называемые ракетные двигатели, которым посвящена эта книга.

Ракетные двигатели не нуждаются для своей работы в атмосферном воздухе и этим отличаются от так называемых воздушно-реактивных двигателей, нашедших широкое применение в современной реактивной авиации. Благодаря особенностям ракетных двигателей их можно применять в безвоздушном пространстве, что делает их двигателями будущего, двигателями для полетов на весьма больших высотах, двигателями космических кораблей, способных совершать полеты в бескрайнем мировом пространстве, полеты на планеты солнечной системы и, может быть, далеко за ее пределы.

Однако ракетные двигатели уже сейчас имеют самое разнообразное применение — как мирное, так и военное. Вот несколько примеров. ...Разведка донесла, что в районе села М. немцы концентрируют войска. Всю длинную зимнюю ночь по дорогам к селу шла пехота, двигались грузовики с солдатами, грохотали моторы. Немцы заканчивали последние приготовления, чтобы с рассветом ударить во фланг наступающим советским дивизиям. Они были уверены в успехе, ничто не могло помешать готовящемуся удару — русские не имели на этом участке фронта артиллерии, которая могла бы рассеять скопления немецких войск.

Катастрофа была неожиданной. Сотни огненных мечей подобно молниям разрезали небо. Снаряды рвались в самой гуще немецких войск, залп следовал за залпом. Удар был коротким, но уничтожающим — буря огня и стали смела с лица земли ударную группировку немцев. Наши войска, заняв село, увидели все, что осталось от немецких войск — разбитую, обгорелую технику, трупы на снегу и десятки дрожащих немцев с поднятыми руками и непроходящим выражением ужаса в глазах.

Но ведь советские войска у села М. действительно не имели пушек. Какая же сила подняла в воздух и обрушила на немцев тысячи смертоносных снарядов?

Это был один из многих за войну огневых налетов гвардейских минометов, прославленных советских «катюш». — Каждый снаряд-мина такого миномета движется с помощью ракетного двигателя.

Об этом двигателе и будет итти речь в книжке. Поздно вечером пятого августа 1943 г. сотни тысяч москвичей, затаив дыхание, слушали на улицах у репродукторов слова исторического приказа Верховного Главнокомандующего о разгроме немцев на Курской дуге. Все чувствовали, что эта победа — начало великого контрнаступления, которое закончится только в Берлине. Взволнованные москвичи не покидали улиц, поздравляли друг друга с праздником. Последние минуты — и вот залп сотен орудий первого победного салюта потряс воздух над советской столицей. Не успели погаснуть багровые зарницы орудийных выстрелов, мгновение — и чудесно преобразилось небо Москвы. Тысячи разноцветных огней — красных, желтых, зеленых, белых — вспыхнули высоко над кремлевскими башнями, над улицами и площадями Москвы, чтобы сейчас же рассыпаться дивными гроздьями падающих звезд. Сотни разноцветных прожекторных лучей, пересекающих во всех направлениях ночное небо, дополняли волшебную картину победного салюта.

Фиг. 1. Залп гвардейских минометов.

Как дороги стали с тех пор всем советским людям эти огни в ночном небе Москвы, а потом и Ленинграда, столиц союзных республик, городов-героев! Какая же сила поднимает их высоко в небо в дни праздников советского народа?

Эта сила — ракетный двигатель. О нем также будет рассказано в книжке.

Фиг.2. Салют в Москве

...На полигоне метеорологического института производятся последние приготовления к запуску тяжелой стратосферной ракеты. В ажурном пусковом устройстве ракета установлена вертикально, готовясь к гигантскому прыжку в стратосферу. Издали ракета кажется игрушечной, хотя ее размеры не так уж малы — длина ракеты достигает почти 15 м, а вес равен 13 тоннам. Весь передний отсек ракеты занимают различные чудесные, сложные и точные, приборы — они будут изучать строение верхних слоев атмосферы, возьмут пробы воздуха на больших высотах, зарегистрируют состав космических лучей и сделают еще много разных других наблюдений. Потом этот приборный отсек опустится на землю на парашюте.

Но вот все готово. Сигнал, сноп огня вырывается из нижней части ракеты, ракета вздрагивает и сначала медленно, а затем стремительно, уносится вверх. Через мгновение она уже исчезает в безоблачном небе, оставляя за собой длинный дымовой след.

Фиг. 3. Старт стратосферной ракеты.

Проходит минута, другая и вот рация института принимает сигналы радиопередатчика, установленного на ракете — уже достигнута высота 100-150-180 км!

Какая могучая сила забрасывает тяжелую ракету, так высоко в небо? Ведь снаряды самых тяжелых пушек не поднимаются выше 30-35 км, а шары-пилоты, бывшие до недавнего времени «рекордсменами» высоты, выше 40 км.

Ракету несет ввысь мощный ракетный двигатель. И о нем будет рассказано в книжке.

...Из ангара выкатили самолет. Он отличается от других машин, стоящих на бетонных площадках и у ангаров аэродрома. Вытянутый, как стрела, с заостренным носом, этот самолет, казалось, был рожден для еще невиданных скоростей.

Самолет уже на старте. Взмах флажка, и он почти с места, без разбега, свечой устремляется в небо; мгновение — и его уже не видно. Но вот самолет снова появляется, чтобы, оглушив всех своим могучим ревом, с головокружительной скоростью пронестись над головами пораженных наблюдателей и снова исчезнуть за небольшой рощицей на краю аэродрома.

Фиг. 4. Ракетный самолет на аэродроме.

Снова и снова стрелой проносится чудо-самолет, каскады стремительных фигур высшего пилотажа сменяются один за другим, и вот самолет уже на земле.

Усталый, но счастливый, подходит летчик к группе конструкторов, инженеров и военных, ожидающих его у ангара. Летчик знает, что эти внешне спокойные люди с нетерпением ждут его приговора и... не выдерживает — еще издалека он показывает правую, руку с торжествующе поднятым большим пальцем. Да, на таком самолете можно летать быстрее звука! Можно потому, что на этом самолете установлен мощный ракетный двигатель.

И об этом двигателе будет рассказано в книжке.

Метро, а потом полчаса езды троллейбусом по автомагистрали Москва-Ленинград — и вы у одного из любимых мест отдыха москвичей — Химкинского водохранилища, начального пункта канала имени Москвы.

Особенно оживленно здесь в пригожий летний праздничный день. Несмотря на сравнительно ранний час здесь уже много любителей водного спорта, а то и просто любителей отдохнуть на лоне природы. Яркое солнце, чистый, ароматный воздух, зеркальная гладь воды, в которой отражаются ажурные формы и высокий шпиль Химкинского речного вокзала, зеленые рощи и гранитные берега канала — чудесные места для отдыха, заслуженного неделей честного труда.

Но присмотримся внимательнее к оживленному движению на водохранилище.

Вот на причудливо изогнутую вышку водного стадиона «Динамо» поднялся спортсмен; прыжок: мгновение кажется, что фигура парит в воздухе и затем прыгун бесшумно погружается в воду — отличная «ласточка»! Здесь же на водяных дорожках стадиона, вспенивая воду, пробуют свои силы пловцы.

Тихо скользит по воде красавица-яхта; легкий ветерок как крылья надувает ее треугольный парус. Обгоняя яхту, выносится вперед узкая, как нож, стремительная, длинная гоночная лодка-восьмерка; ритмично, по знаку рулевого, опускаются весла в воду, чтобы; затем энергичным толчком послать лодку вперед.

От причала порта, разворачиваясь, медленно отходит белоснежный теплоход. Он повезет экскурсантов по каналу. Над самой палубой теплохода пролетел, шелестя винтами, гидросамолет; вот его поплавки уже коснулись воды, снова взревели моторы и гидросамолет стал рулить на стоянку.

Все в движении... Однако, сколь ни разнообразно это движение, мы знаем, что им управляют общие законы, известные как основные законы механики — науки о движении.

Вот, например, пловец прыгнул «ласточкой» с вышки. Его тянет в воду сила земного притяжения. Не будь этой силы, спортсмен повис бы в воздухе.

Яхта движется потому, что ее парус надувает ветер, затихни он — и спадет парус, остановится яхта.

И прыгун, и яхта движутся под действием силы. Мало того, нетрудно видеть, что в обоих случаях общим для этого внешнего действия является то, что оно не зависит от движущегося тела. Такие внешние силы мало устраивают инженера, которому, например, нужно создать самодвижущийся транспортный экипаж. Конечно, в некоторых случаях и такие силы целесообразно использовать. Так, например, парусные суда долгое время были единственным способом передвижения по морю. Великий русский ученый Циолковский предлагал использовать при космических путешествиях силы давления солнечных лучей на межпланетный корабль. Однако гораздо более удобны, очевидно, силы, величину и направление которых можно было бы изменять по желанию.

Какая сила движет лодку, скользящую по водной глади? Очевидно, эта сила создается гребцами: подними они весла — и лодка остановится. Гребцы погружают весла в воду и резким толчком как бы отталкиваются от нее. Сила толчка затрачивается на то, чтобы отбросить массу воды, захваченную веслами, с некоторой скоростью назад, против движения лодки. Но по закону равенства действия и противодействия такая же сила толкает лодку вперед. Мы здесь впервые сталкиваемся с реактивным эффектом — лодка движется благодаря силе реакции отбрасываемой массы воды («реакция» — слово латинское, которое можно перевести как — противодействие, отдача).

Кроме того, здесь можно видеть еще одно характерное обстоятельство. Работа, необходимая для продвижения лодки, совершается гребцами; они составляют в данном случае «двигатель». Однако одного наличия гребцов еще недостаточно для того, чтобы лодка двигалась: нужны весла, с помощью которых развивается сила, толкающая лодку. Весла поэтому здесь являются «движителем». Характерным именно и является это наличие двух элементов, необходимых в данном случае для движения, — двигателя и движителя. Двигатель (гребцы) развивает нужную для движения мощность, т. е. производит потребную работу. С помощью движителя (весел) мощность двигателя используется для создания силы, без которой невозможно движение (эту силу часто называют силой тяги или просто тягой). Так как вода отбрасывается не самим двигателем, а особым движителем, то и создающая движение сила реакции приложена не прямо к двигателю, а к движителю; потому в этом случае иногда и говорят о движении благодаря «непрямой реакции».

Легко видеть, что между движением небольшой лодки и гигантского теплохода нет в этом смысле никакой принципиальной разницы. Вместо гребцов, движущих лодку, в машинном отделении теплохода установлены мощные дизели, а вместо весел за кормой корабля пенят воду громадные винты. Винты отбрасывают назад огромные количества воды со значительной скоростью, вследствие чего развивается большая реактивная сила, с которой отбрасываемая вода действует на винты и толкает вперед теплоход. И здесь двигатель и движитель разделены, и здесь сила реакции приложена к движителю, а не прямо к двигателю (фиг. 5).

Но и самолет, который мы видели над водохранилищем, передвигается в воздухе так же, как теплоход в воде. Двигатель самолета вращает пропеллер, который и является движителем. Реакция (и здесь непрямая!) отбрасываемого винтом воздуха толкает самолет вперед.

Фиг. 5. И лодку, и пароход движет реакция отбрасываемой воды.

До последнего времени в основном подобным способом и происходило передвижение по воде и воздуху. Но затем был сделан крупный шаг вперед и появились двигатели прямой реакции, или просто реактивные двигатели, т. е. такие двигатели, которые сами непосредственно отбрасывают массу вещества, создавая тем самым реактивную тягу. Поэтому такие двигатели не нуждаются в специальном движителе. Это свойство реактивных двигателей делает их особенно ценными для больших скоростей передвижения, потому что с увеличением скорости известные нам движители начинают работать неэффективно, растут потери мощности в движителе, вследствие чего — уменьшается сила тяги и вместе с нею скорость передвижения.

Иначе обстоит дело в случае двигателей прямой реакции — реактивных двигателей.

Одним из наиболее простых реактивных двигателей является прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Он представляет собой тонкостенную металлическую трубу, имеющую сужения на обоих концах. Когда этот двигатель перемещается с большой скоростью в атмосфере, то через переднее отверстие внутри него поступает воздух. В средней части двигателя в воздух впрыскивается топливо, и образующиеся вследствие сгорания топлива горячие газы вытекают через заднее отверстие двигателя в атмосферу. Вес топлива, впрыскиваемого в двигатель, намного меньше веса воздуха, так что по существу эти газы представляют собой тот же воздух, но нагретый. Так как вытекает горячий воздух, то его скорость больше, чем скорость холодного воздуха, втекающего в двигатель, т. е. при протекании через двигатель скорость воздуха увеличивается. Вследствие этого струя воздуха, протекающего через двигатель, оказывает на него реактивное действие, создает реактивную тягу. Как видно, в этом случае сила реакции уже приложена к самому двигателю — это двигатель прямой реакции.

Но и здесь реактивная сила создается, как и раньше, в результате отбрасывания массы воздуха, в котором перемещается двигатель. Разница только та, что это отбрасывание осуществляется не винтом, а самим двигателем. Окружающая двигатель среда — воздух — необходима для работы воздушно-реактивного двигателя, потому что кислород воздуха обеспечивает сгорание топлива.

Естественным был следующий шаг в развитии двигателя прямой реакции: создание двигателя, работа которого полностью не зависит от окружающей среды. Такой двигатель, создающий силу тяги в виде реакции отбрасываемых частиц собственной массы передвигающегося аппарата, точнее, массы продуктов горения топлива, находящегося на борту аппарата, и носит название ракетного двигателя¹.

¹ Слово «ракетный» происходит от итальянского «racchetto», что значит веретено, стержень. Этот термин объясняется тем, что первые ракеты (фейерверочные) своим внешним видом действительно напоминали веретено, да еще обычно снабжались для устойчивости полета деревянным стержнем. Именно ракеты, применявшиеся с давних пор в Китае, представляли собой первые реактивные двигатели, тогда как воздушно-реактивные двигатели появились лишь в последние годы.

Для иллюстрации принципа передвижения под действием реакции отбрасываемых частиц собственной массы мы могли бы представить себе на том же водохранилище необычное и неудобное судно в виде лодки с установленной на ней пушкой, стреляющей назад, через корму лодки: выстрел — и давление пороховых газов выталкивает снаряд, который скрывается за горизонтом. Однако те же газы оказывают и реактивное действие на пушку, толкая ее, а вместе с ней и лодку, вперед. Пока хватит запаса снарядов, наша лодка будет двигаться; с каждым выпущенным снарядом масса лодки будет уменьшаться, так как большая часть этой массы в виде массы снарядов будет отброшена с целью создания реактивной силы.

Естественно, что нет нужды в стрельбе снарядами. Тот же эффект может быть получен, если из пушки будут вытекать с большой скоростью газы — продукты сгорания пороха или какого-нибудь другого вещества. Важно лишь, чтобы это сгорание происходило без участия атмосферного воздуха. Отбрасывание массы газов и создаст реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено передвижение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. Это свойство делает ракетный двигатель единственно пригодным для сообщений в верхних слоях атмосферы и вне ее пределов.

Принцип прямой реакции часто объясняют, используя известную из механики теорему о движении центра тяжести. Со

Фиг. 6. К теореме о движении центра тяжести.

гласно этой теореме внутренние силы, действующие в системе тел, не могут изменить положения центра тяжести этой системы. Легко понять, что это действительно так. Вряд ли, например, найдется смельчак, который стал бы оспаривать известную народную поговорку: «Самого себя за волосы не поднимешь». Представим себе два одинаковых металлических шарика весом по 1 кг, лежащих на пластинке, уравновешенной на острие ножа (фиг. 6). Между шариками находится спиральная пружина. Сначала эта пружина сжата, а затем начинает разжиматься. Сила упругости пружины (внутренняя сила системы) будет действовать на оба шарика, которые вследствие этого начнут двигаться в противоположные стороны. Но это движение шариков не будет произвольным: шарики должны двигаться так, чтобы опирающаяся на нож пластинка продолжала оставаться в равновесии; это и будет означать, что центр тяжести системы не изменил своего положения. Для этого скорости V движения обоих шариков должны быть одинаковыми, так как одинаковы их массы.

Положение не изменится, если один шарик будет тяжелее другого, допустим, в два раза, т. е. их веса будут равны 1 и 2 кг. Но только теперь для сохранения равновесия пластинки больший шарик должен будет двигаться со скоростью, в два раза меньшей, чем меньший шарик, так как только в этом случае центр тяжести системы не изменит своего положения; тем самым будет соблюдено правило рычага — произведения силы на плечо справа и слева от точки опоры будут одинаковыми.

Этот же закон будет соблюдаться и для ракеты, движущейся в безвоздушном пространстве. Действительно, в этом случае, когда нет силы сопротивления воздуха, скорость движения ракеты под влиянием реактивного эффекта отбрасываемой струи газов будет во столько раз меньше скорости этих газов, во сколько раз масса ракеты больше массы отбрасываемых газов. Каждая молекула в отбрасываемой струе ведет себя так же, как и маленький шарик, а сама ракета — как большой шарик на фиг. 6. Разница в массах в этом случае огромна, но зато и количество непрерывно отбрасываемых молекул колоссально, так что в конце концов скорость ракеты может стать вполне соизмеримой со скоростью отбрасываемых молекул газа.

Принцип движения с помощью прямой реакции известен человечеству с давних времен. По некоторым данным уже более двух тысяч лет тому назад были созданы движущиеся модели, использующие прямую реакцию струи вытекающего пара (автором их считают александрийского мудреца Герона); многие сотни лет тому назад в Китае применялись ракеты, также основанные на этом принципе.

Однако только в XX веке, благодаря трудам русских ученых и, прежде всего, замечательного ученого Циолковского, была создана теория двигателей прямой реакции, были разработаны проекты первых ракетных двигателей для применения в авиации и дальней ракетной артиллерии и, наконец, в самые последние годы эти двигатели завоевали право на существование и получили разнообразное применение.

Циолковский создал новую главу механики — науки о движении, разработав теорию движения тела переменной массы. Классическая механика имела ранее дело лишь с телами постоянной массы, и движение ракет, т. е. тел с ракетными двигателями и, следовательно, с изменяющейся в процессе движения массой, нельзя было изучить, пользуясь законами этой механики. В частности, Циолковский вывел знаменитую, известную во всем мире по его имени формулу, так называемую «формулу ракеты», позволяющую определить конечную скорость ракеты по заданной скорости истечения газов и отношению начального веса ракеты к ее конечному весу.

Большой вклад в разработку механики тела переменной массы сделал известный русский ученый Иван Всеволодович Мещерский (Циолковский работал почти одновременно с Мещерским, но независимо от него). Над научными проблемами теории реактивного движения работал отец русской авиации Николай Егорович Жуковский и многие другие русские ученые.

Основные свойства ракетного двигателя мы уже знаем.

Первое свойство заключается в отсутствии специального движителя, назначение которого выполняет сам двигатель. Это оказывается возможным потому, что тяга представляет собой реакцию частиц газа, отбрасываемых самим двигателем. Такое использование принципа прямой реакции присуще всем реактивным двигателям.

Второе свойство заключается в использовании для создания реактивной струи массы самого летательного аппарата, точнее массы топлива, находящегося на его борту. Это свойство, делающее двигатель независимым от окружающей среды, отличает ракетный двигатель от других типов реактивных двигателей.

Другие свойства ракетного двигателя являются по существу следствием этих основных.

Так, второе основное свойство определяет характер рабочего тела — топлива, на котором работает ракетный двигатель. Мы говорим «топливо», имея в виду, что ракетный, как и всякий другой реактивный двигатель, является в настоящее время двигателем тепловым, т. е. совершает механическую работу за счет тепловой энергии, заключенной в рабочем теле и выделяющейся в результате химической реакции (обычно при сгорании топлива). Это не означает, что исключены другие типы ракетных двигателей, например двигателей, использующих электрическую или атомную энергию, но в настоящее время таких двигателей еще нет.

Так как работа ракетного двигателя не зависит от атмосферного воздуха, то, следовательно, химические реакции, протекающие в двигателе и приводящие к выделению тепловой энергии (в том числе и горение, если оно имеет место), должны происходить без его участия. Поэтому топливо ракетного двигателя должно заключать в себе все компоненты, необходимые для протекания реакции. В случае реакции горения топливо, следовательно, должно содержать как горючее, так и окислитель, т. е. кислород или кислородсодержащее вещество.

При этом топливо ракетного двигателя может быть как твердым, так и жидким, в связи с чем все ракетные двигатели (РД) делятся на две большие группы — двигатели на твердом топливе (пороховые РД) и двигатели на жидком топливе (жидкостно-реактивные, или ЖРД).

Двигатели на газообразном топливе, очевидно, исключаются, так как для хранения этих топлив необходимы либо огромные емкости, либо тяжелые баллоны для хранения газов под большим давлением, что для летательных аппаратов неприемлемо (газы могут применяться лишь в сжиженном виде).

Рассматривая свойства ракетных двигателей, мы пока отвлечемся от того, какое именно топливо сгорает в двигателе; об этом будет рассказано при описании разных ракетных двигателей. Сейчас для нас имеет значение только то, что в результате сгорания этого топлива из двигателя вытекает в атмосферу струя продуктов горения — горячих газов, создающая реактивную тягу.

Создание реактивной тяги есть назначение всякого ракетного двигателя; поэтому величина тяги является важнейшей характеристикой двигателя.

Тяга современных ракетных двигателей колеблется от нескольких килограммов до десятков тонн, в зависимости от назначения и размеров двигателя.

Двигатели тяжелых дальнобойных ракет развивают тягу, превышающую тягу наиболее мощных паровозов, с могучей силой увлекающих за собой железнодорожные составы в тысячи тонн.

Фиг. 7. Принципиальная схема ракетного двигателя.

Как определить величину реактивной тяги? Обратимся для этой цели к фиг. 7, на которой представлена принципиальная схема ракетного двигателя.

Тяга образуется потому, что из двигателя вытекают газы. Чтобы вытолкнуть газы, двигатель должен действовать на них с какой-то силой; обратная сила — сила воздействия газов на двигатель — и есть реактивная тяга. Поэтому направление тяги обратно скорости вытекающих газов, а величина тяги равна силе, с которой выталкиваются газы. Очевидно, что величина этой силы зависит от количества вытекающих газов и их скорости. Механика учит, что эта сила, а следовательно, и сила тяги, равна произведению массы выталкиваемых в секунду газов на скорость их истечения.

Так как масса равна весу, деленному на ускорение земного притяжения (g=9,81 м/сек²), то для определения силы тяги служит следующая простая формула:

Каждый килограмм вытекающих в секунду газов создает тягу, численно равную, очевидно, ¹/₁₀ от скорости истечения. Эта тяга, носящая название удельной тяги или удельного импульса (размерность удельной тяги кг сек/кг), является основной характеристикой любого ракетного двигателя. Чем больше удельная тяга, т. е. чем большую тягу создает каждый килограмм газа, вытекающего в секунду из двигателя, тем совершеннее двигатель.

В современных ракетных двигателях скорость истечения колеблется от 1500 до 2500 м/сек, вследствие чего удельная тяга равна 150-250 кг сек/кг.

Какими же способами можно увеличить скорость истечения и вместе с нею удельную тягу проектируемого ракетного двигателя?

Скорость истечения газов из двигателя зависит от топлива, давления газов в двигателе и его конструкции.

Влияние топлива на скорость истечения сказывается в основном в том, что скорость истечения тем больше, чем больше теплотворная способность топлива, т. е. тепло, которое выделяет при сгорании каждый килограмм топлива.

Чтобы отчетливее представить себе влияние на скорость истечения теплотворной способности топлива, попробуем повнимательнее присмотреться к явлениям, происходящим в любом ракетном двигателе, т. е. к рабочему процессу двигателя.

Пусть в двигателе произошла химическая реакция (будем считать для определенности — сгорание), в результате которой выделилось какое-то количество тепла.

Вследствие этого газообразные продукты реакции — пары углекислоты, пары воды, азот и др. — сильно нагреваются, так что температура их достигает 2500° С и более. Мы знаем из физики, что температура газа есть мера скорости движения его молекул; когда газ очень нагрет, то молекулы его движутся с очень большими скоростями. Однако непосредственно эту скорость движения молекул газа использовать для создания реактивной тяги нельзя, потому что молекулы внутри двигателя движутся беспорядочно, неорганизованно, во всех направлениях; имеет место так называемое тепловое движение молекул. Каждая молекула, отражаясь от стенок двигателя, создает, конечно, микроскопическую реактивную силу, но суммарная равнодействующая — результат бесчисленного множества таких молекулярных ударов, равна нулю. Благодаря хаотичности движения молекул давление на все стенки двигателя одинаково и никакого реактивного эффекта не получается.

Чтобы создать реактивную силу, необходимо обеспечить упорядоченное, организованное истечение молекул газа из двигателя в одном направлении; тогда реактивный эффект всех вытекающих молекул суммируется, давая в результате нужную нам реактивную силу. Поэтому всякий ракетный двигатель по идее представляет собой машину для извержения молекул газа с максимально возможной скоростью в одном, общем для всех молекул, направлении, следовательно, машину для преобразования химической энергии топлива сначала в тепловую энергию беспорядочного движения молекул, а затем в скоростную (кинетическую) энергию их упорядоченного истечения из двигателя.

Таким образом первая часть рабочего процесса ракетного двигателя заключается в преобразовании химической энергии топлива в тепловую. Это преобразование осуществляется в ходе химической реакции внутри двигателя, в той его части, которую называют камерой сгорания, и происходит обычно при постоянном давлении.

Вторая часть рабочего процесса двигателя заключается в преобразовании тепловой энергии хаотического движения молекул в скоростную энергию их организованного истечения, т. е. в скоростную энергию реактивной струи газов, вытекающих из двигателя. Это преобразование осуществляется в процессе расширения газов от давления, имеющего место в камере сгорания двигателя, до атмосферного давления, т. е. до давления на выходе из двигателя, и обычно происходит в той его части, которая носит название сопла.

В современных ракетных двигателях указанный выше рабочий процесс происходит непрерывно, хотя возможны двигатели прерывного действия, в которых подача топлива в камеру сгорания и все последующие процессы происходят периодически.

Таким образом общим результатом рабочего процесса ракетного двигателя является преобразование химической энергии топлива в скоростную энергию струи газов, вытекающих из сопла в атмосферу. Однако при этом далеко не вся химическая энергия топлива (теплотворная способность) переходит в скоростную энергию струи, а только определенная часть ее. Чем совершеннее рабочий процесс, тем больше эта полезно используемая часть теплотворной способности топлива. В современных; ракетных двигателях в скоростную энергию струи газов переходит меньше половины тепла, заключенного в топливе¹. Большая

1 Для оценки совершенства рабочего процесса обычно вводят так называемый внутренний коэффициент полезного действия двигателя. Его величина равна 0,3-0,6.

часть (до ²/₃) этого тепла представляет собой потери рабочего процесса. Часть тепла теряется из-за неполного сгорания топлива, а другая, большая, теряется вместе с газами, выходящими из двигателя, так как их температура очень высока (1000— 1500° С). Уменьшение этих потерь рабочего процесса приводит к увеличению скорости истечения и, следовательно, увеличению тяги. Однако, как учит термодинамика — наука о преобразовании тепла в работу, — все тепло не может перейти в скоростную энергию газов. Некоторая часть этого тепла представляет собой неизбежные потери.

Теперь ясно, как теплотворная способность топлива влияет на скорость истечения. Чем больше теплотворная способность, тем больше тепловой энергии, при данной степени совершенства рабочего процесса двигателя, переходит в скоростную энергию газов, т. е. тем больше скорость истечения. И физически очевидно, что чем больше скорость теплового движения молекул после сгорания, тем больше и скорость истечения газов из двигателя.

С другой стороны, чем совершеннее рабочий процесс двигателя, тем также больше скорость истечения. Поэтому, например, более удачная конструкция двигателя, в частности, сопла, позволяющая лучше организовать истечение, т. е. добиться, чтобы скорости молекул газа на выходе из двигателя имели одинаковое направление и были большими по величине, также приводит к увеличению тяги.

Такое же влияние оказывает давление газов в камере сгорания двигателя. Чем больше это давление по сравнению с атмосферным, т. е. с давлением газов на выходе из двигателя, тем большая доля тепла переходит в скоростную энергию газов и поэтому больше скорость истечения и тяга двигателя, рассчитанного на это увеличенное давление.

Из всех внешних условий (скорость полета, состояние атмосферы и др.) только атмосферное давление оказывает некоторое, да и то небольшое, влияние на рабочий процесс ракетного двигателя. Эта независимость рабочего процесса от внешних условий является важным свойством ракетного двигателя. Благодаря этому свойству скорость истечения и секундный расход газов, а следовательно, и тяга ракетного двигателя, также остаются постоянными при изменении внешних условий.

Только при изменении атмосферного давления, например с изменением высоты полета, тяга несколько изменяется — с увеличением высоты тяга растет.

Особенно важным является то, что тяга остается постоянной при изменении скорости полета.

Мощность, развиваемая двигателем, т. е. механическая работа, совершаемая им в единицу времени (секунду), является важнейшей характеристикой любого двигателя. Это и естественно, если иметь в виду, что именно совершение этой механической работы за счет израсходования определенного количества энергии другого вида — тепловой, электрической или еще какой-либо — и является назначением всякого двигателя. В соответствии с этим двигатели подразделяются на электрические, тепловые и т. д.

Обычно мощность, развиваемая каким-либо двигателем, может быть использована самыми разнообразными способами. Для этого вал двигателя связывают с тем или иным потребителем механической работы. Так, например, поршневой двигатель внутреннего сгорания может быть установлен на электростанции и вращать ротор динамомашины, тогда мощность двигателя будет преобразовываться в электрическую энергию; он может вращать трансмиссию в цехе и приводить таким образом в движение станки; может быть установлен на автомобиле для привода его ведущих колес; наконец, может вращать пропеллер самолета и т. д. Во всех этих случаях мощность двигателя будет неизменной, она будет только по-разному расходоваться. В частности, для нас очень важно, что мощность такого двигателя, установленного, допустим, на самолете, будет также одинаковой, вне зависимости от того, неподвижен ли самолет, стоящий на аэродроме, или летит со скоростью в сотни километров в час.

Именно этим свойством обычного поршневого авиационного двигателя объясняется то, что он перестал удовлетворять требованию непрерывного роста скорости полета, характерному для современной авиации.

Действительно, мощность, потребная для полета данного самолета, очень быстро растет при увеличении скорости полета, пропорционально кубу этой скорости. Значит, при увеличении скорости полета в два раза потребная мощность вырастет соответственно в восемь раз. Еще значительнее становится рост потребной мощности при приближении скорости полета к скорости звука, т. е. скорости, с которой звук распространяется в воздухе (немногим более 1200 км/час вблизи земли), что объясняется дополнительным сопротивлением, связанным с явлением сжимаемости воздуха при этих скоростях.

Установка на самолетах все более мощных двигателей приводит лишь к незначительному увеличению скорости полета. Более мощные двигатели оказываются и более тяжелыми (вес двигателя увеличивается почти пропорционально его мощности), а также большими по размерам, вследствие чего для их установки требуются и большие по размерам самолеты. Но это в свою очередь увеличивает мощность, потребную для полета с данной скоростью.

Выход из этого заколдованного круга был найден применением двигателей принципиально иного типа — двигателей прямой реакции в частности, ракетных. Поэтому не без основания говорят что применение реактивных двигателей в авиации представляет собой настоящую техническую революцию.

Ракетный двигатель в смысле развиваемой им мощности ведет себя совсем иначе, чем, например, поршневые двигатели внутреннего сгорания.

B этом легко убедиться.

Как известно, мощность — это работа, произведенная за секунду, работа же есть действие силы на некотором пути. Поэтому величина работы определяется произведением силы на пройденный в направлении ее действия путь, а мощность соответственно равна произведению силы на скорость. Если мощность измерять в лошадиных силах, то, как известно, величину секундной работы в килограммометрах нужно еще разделить на 75, так как 1 л. с. = 75 кгм/сек; таким образом:

Чему же равна мощность ракетного двигателя? Так как реактивная сила, т. е. тяга, развиваемая двигателем, от скорости передвижения не зависит, то мощность ракетного двигателя оказывается прямо пропорциональной скорости полета.

Когда двигатель неподвижен — например, испытывается на станке, — его мощность равна нулю, несмотря на то, что тяга, развиваемая двигателем, может быть при этом очень велика. Мощность становится значительной лишь при больших скоростях передвижения.

Это свойство ракетного двигателя характеризует его как двигатель специфически транспортный; мало того, как двигатель для аппаратов, передвигающихся с очень большими скоростями, возможными лишь в воздухе и вне пределов атмосферы, т. е. двигатель для самолетов, снарядов, ракет.

На малых скоростях ракетный двигатель развивает весьма незначительную мощность, но зато при увеличении скорости мощность возрастает и может достигать значений, недосягаемых для других тепловых двигателей. Это обстоятельство позволяет получить с помощью ракетного двигателя скорость полета значительно большую, чем с помощью обычных (поршневых) авиационных двигателей.

Как велика может быть мощность ракетного двигателя, видно из следующего примера, относящегося к одной дальнобойной ракете.

На этой ракете установлен ракетный двигатель (он будет описан подробно в разделе о жидкостно-реактивных двигателях), развивающий тягу в 25 тонн. При запуске ракеты, когда скорость ее равна нулю, мощность двигателя также равна нулю. Но когда ракета, примерно через 1 мин. после старта, достигает высоты около 40 км, ее скорость становится очень большой, порядка 1500 м/сек (около 5500 км/час). Подсчитаем по нашей формуле мощность, которую развивает двигатель в этот момент:

Конечно, такую колоссальную мощность (полмиллиона лошадиных сил!) не в состоянии развить ни один тепловой двигатель при тех размерах и весе, которые имеет двигатель этой ракеты.

Ракетный двигатель совершает полезную работу за счет израсходования скоростной энергии газов, вытекающих из двигателя в атмосферу.

Доля тепловой энергии топлива, переходящей в скоростную энергию газов и, следовательно, величина этой скоростной энергии, от скорости полета не зависит.

В то же время мощность двигателя при изменении скорости полета меняется.

Это означает, что в зависимости от скорости полета скоростная энергия вытекающих из двигателя газов по-разному используется для совершения полезной работы¹.

¹ Это использование скоростной энергии струи для совершения полезной работы обычно оценивается величиной так называемого тягового коэффициента полезного действия двигателя, меняющегося в пределах от 0 до 1, в зависимости от скорости полета.

Преобразование скоростной энергии газов в полезную работу двигателя полностью определяется скоростью полета. Некоторые характерные в этом отношении (режимы полета ракеты или самолета с ракетным двигателем представлены на фиг. 8. Верхний рисунок на этой фигуре соответствует режиму взлета — двигатель работает, но ракета неподвижна, скорость полета равна нулю. При этом полезная работа, т. е. мощность двигателя, тоже равна нулю. Куда же расходуется скоростная энергия струи газов, с большой скоростью вытекающих из двигателя? Очевидно газы, которые в этом случае мчатся относительно земли со скоростью, равной скорости истечения, уносят с собой эту скоростную энергию, которая затем бесполезно рассеивается в атмосфере.

Но вот ракета взлетела и начинает полет со все увеличивающейся скоростью. При этом разность между скоростью истечения и скоростью полета становится все меньше. Поэтому молекулы газа движутся относительно земли в сторону, противоположную направлению полета, со все меньшей скоростью. Это значит, что скоростная энергия, уносимая с собой молекулами, становится все меньшей. Следовательно, все большая часть скоростной энергии струи преобразовывается в полезную работу, сообщается ракете.

Весьма характерным является момент, когда увеличивающаяся скорость полета становится равной скорости истечения газов из двигателя, что соответствует среднему рисунку на фиг. 8. Очевидно что при этом скорость газов относительно земли становится равной нулю, т. е. относительно неподвижного наблюдателя газы будут неподвижными. Но это означает, что скоростная энергия этих газов равна нулю и, следовательно, вся скоростная энергия струи переходит в полезную работу. Однако следует иметь в виду, что это отвечает очень большой скорости полета, так как скорость истечения газов из ракетного двигателя равна 1500-2500 м/сек, т. е. примерно 5000-10000 км/час. Следовательно, этот случай может иметь место только при полете в самых верхних слоях атмосферы и вне ее. При скоростях полета до 1000-1200 км/час в полезную работу переходит менее четверти скоростной энергии струи.

Фиг. 8. Характерные режимы полета ракеты (точками условно обозначены молекулы газа, стрелками — направление их скорости относительно неподвижного наблюдателя).

При дальнейшем увеличении скорости полета молекулы газа, как это показано на нижнем рисунке фиг. 8, движутся относительно неподвижного наблюдателя в том же направлении, что и ракета, со скоростью, равной разности скорости полета и скорости истечения. При этом энергия, отдаваемая струей ракете, т. е. совершаемая ракетой полезная работа, даже превышает скоростную энергию струи. Противоречие здесь, конечно, лишь кажущееся, что становится очевидным, если рассматривать не только тепловую, но и скоростную энергию сжигаемого топлива, приобретенную им в результате ускорения ракеты в течение предшествующего полета.

Для уменьшения потерь скоростной энергии отходящих газов на малых скоростях полета на выходе из ракетного двигателя могут быть установлены специальные насадки, расположенные с некоторым зазором вокруг выходного сечения реактивного сопла¹. При полете в атмосфере через кольцевую щель между таким насадком и соплом подсасывается воздух, который примешивается к струе отходящих газов, уменьшая их скорость, но зато увеличивая массу. Это может привести к существенному повышению тяги и, следовательно, мощности; например, когда двигатель неподвижен, т. е. скорость полета равна нулю, то такой, как говорят, эжекционный подсос воздуха, увлекаемого струей выходящих газов, увеличивает тягу двигателя на ¹/₃. Но когда скорость полета увеличивается, этот выигрыш в тяге резко падает: так, при скорости полета, составляющей всего 5% от скорости истечения, выигрыш в тяге уменьшается наполовину. При еще больших скоростях вместо выигрыша может получиться даже уменьшение тяги.

¹ Такие насадки впервые были предложены в 1886 году русским изобретателем Гешвендом.

Наряду с мощностью важнейшей характеристикой каждого двигателя является его экономичность. Если речь идет о тепловом двигателе, то экономичность его определяется расходом топлива на единицу мощности, т. е. на 1 л. с. Экономичный двигатель на 1 л. с. будет расходовать меньше топлива, чем неэкономичный, т. е. его работа будет обходиться дешевле. Этим и объясняется термин «экономичный».

Однако для авиации экономичность двигателя имеет гораздо большее значение, чем просто стоимость его эксплоатации. На самолете, как и на других летательных аппаратах (ракетах и др.), запас топлива, естественно, ограничен; он определяется объемом топливных баков или весом топлива. Очевидно, что более экономичный двигатель, расходующий меньше топлива при той же мощности, будет работать при том же запасе топлива большее время, чем менее экономичной. Вследствие этого самолет с более экономичным двигателем будет иметь большую дальность полета.

Таким образом в авиации экономичность двигателя — это дальность полета.

Нетрудно видеть, что экономичность ракетного, как и всякого реактивного двигателя, зависит от скорости полета, так как в зависимости от скорости меняется мощность двигателя. Это также отличает реактивные двигатели от обычных, поршневых авиационных двигателей, у которых экономичность, как и мощность, от скорости полета не зависит (при неизменном режиме работы двигателя).

Так как с ростом скорости полета мощность ракетного двигателя растет, то ракетный двигатель становится экономичным только при больших скоростях полета. При малых скоростях полета, когда мощность мала, расход топлива на 1 л. с. у ракетного двигателя становится очень большим, двигатель работает неэкономично¹.

¹ Расход топлива на 1 л. с. полезной мощности определяется величиной общего к. п. д. двигателя, равного произведению внутреннего и тягового к. п. д. Величина общего к. п. д. определяет долю тепловой энергии топлива, переходящей в полезную работу. При скоростях полета до 1000-1200 км/час эта доля для ракетного двигателя не превышает 10%.

В этом заключается одна из причин того, что реактивные двигатели получили распространение в авиации только тогда, когда скорость полета самолетов стала большой, достигнув 600— 700 км/час. При меньших скоростях полета реактивные двигатели значительно уступают по экономичности поршневым авиационным двигателям и не могут с ними конкурировать.

Зависимость экономичности от скорости полета имеет место для всех двигателей прямой реакции, а не только ракетных. Правда, в случае воздушно-реактивных двигателей эта зависимость количественно несколько иная, чем для ракетных двигателей.

Однако ракетные двигатели по экономичности значительно уступают большинству воздушно-реактивных двигателей. С одной стороны, это объясняется тем, что при существующих в настоящее время скоростях полета самолетов потеря скоростной энергии с отходящими газами у ракетных двигателей гораздо больше, так как скорость истечения газов у них значительно выше. С другой стороны, увеличенный расход топлива ракетного двигателя неизбежно вытекает из самой сути его как двигателя, создающего реактивную тягу благодаря отбрасыванию «собственной» массы. Практически это означает, что горение топлива в ракетном двигателе происходит без участия атмосферного кислорода, т. е. в состав топлива ракетного двигателя должны входить как горючее, так и окислитель — кислород или кислородсодержащее вещество.

Обычные горючие — бензин, керосин, спирт и др. — требуют для своего сгорания в несколько раз больше окислителя, чем весит само горючее. Вследствие этого расход топлива (горючее плюс окислитель) на 1 кг тяги в ракетном двигателе значительно, обычно в 10-20 раз, больше, чем расход топлива в воздушно-реактивных двигателях, использующих (да еще с большим избытком) для сжигания горючего кислород атмосферы.

3. РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ (ПОРОХОВОЙ РД)

Как был создан пороховой ракетный двигатель

Пороховые ракетные двигатели исторически появились значительно раньше, чем какие бы то ни было другие реактивные двигатели.

Нельзя достоверно сказать, кто и когда изобрел первый пороховой ракетный двигатель.

Имеются указания о том, что уже много веков тому назад пороховые ракеты применялись в Китае в качестве увеселительных огней. Точно так же уже давно пороховые ракеты стали применять и в качестве боевого оружия, в виде своеобразных ракетных снарядов, в первое время зажигательных. По свидетельству англичан, при завоевании Индии (XVIII век) им много неприятностей причинили действия отрядов индусов, вооруженных ракетными стрелами — оружием, дотоле совершенно неизвестным в Европе. Эти стрелы представляли собой бамбуковые трубки, заполненные горючим составом и открытые с задней стороны. Индусы поджигали горючее и бросали ракеты во врагов, причем реактивный эффект струи выходящих из трубки газов значительно увеличивал дальность полета стрелы и силу удара. Один из руководителей англичан, Конгрев, называл действие этих примитивных снарядов потрясающим.

Англичане заимствовали у индусов эту идею и организовали у себя под руководством Конгрева производство реактивных снарядов.

Ведущую роль в применении и развитии пороховых ракет, начиная с конца XVII века, играла Россия. Особенно широкое развитие получило ракетное дело при Петре I. Иностранцы, посещавшие в то время Россию, писали в своих записках, что ни одно государство не может в этом отношении соревноваться с Россией. Петр I ввел пороховые ракеты на вооружение русской армии в качестве сигнальных. Через 100 лет после этого пороховые ракеты стали применяться в русской армии и в качестве боевого оружия. Впервые боевые гранаты-ракеты были применены русскими в 1825 г. на Кавказе и в войне с Турцией 1828-1829 гг. Создателем этих первых отечественных боевых ракет был суворовский генерал Александр Дмитриевич Засядко.

Но особенно много сделал для создания ракетного вооружения русской армии талантливый изобретатель, инженер, исследователь и организатор — генерал Константин Иванович Константинов, живший и работавший в середине прошлого века 1818-1872 гг.). Работы Константинова, в частности, его книга «О боевых ракетах», получили широкую известность в России и за рубежом, были переведены на многие языки и в течение долгого времени служили настольными книгами для всех артиллеристов.

Константинов организовал в России заводы для производства ракет, радикальным образом изменил технологию их изготовления (в частности, устранил ручную набивку ракет порохом), сконструировал ряд машин по производству ракет; эти машины так и назывались «машинами Константинова». Константинов создал ряд новых, усовершенствованных образцов боевых ракет со значительно увеличенной дальностью полета, а также ракет для различных вспомогательных целей — спасательных, сигнальных и других; разработал тактику применения ракетного оружия. В частности, по его предложению этот род оружия был выделен в качестве самостоятельного — были созданы отдельные части в дополнение к артиллерийским.

Ракетные снаряды применялись русской армией при обороне Севастополя в 1855-1856 гг. и в военных действиях в более позднее время — до русско-турецкой войны 1877-78 гг.

Применение ракетного вооружения в первое время имело особые преимущества, так как орудийная артиллерия, имевшая на вооружении гладкоствольные орудия, стрелявшие круглыми ядрами, была весьма несовершенна — дальность полета ядер была невелика, меткость стрельбы оставляла желать много лучшего. Легкое ракетное оружие было к тому же очень удобно для вооружения им кавалерии, использования в горных условиях и т. д.

Однако, начиная со второй половины прошлого века, когда были изобретены нарезные орудия, стреляющие цилиндрическими снарядами, что значительно увеличивало дальность и улучшало точность артиллерийского огня, ракетное оружие стало быстро вытесняться артиллерийским и к концу века было повсеместно снято с вооружения.

Тем не менее, несмотря на огромный прогресс, имевший место с тех пор в ствольной артиллерии, в последние годы ракетное оружие снова получает все более широкое распространение. Большой толчок в этом отношении дал опыт минувшей воины, где в ряде случаев ракетное оружие показало себя с наилучшей стороны благодаря присущим ему принципиальным преимуществам по сравнению со ствольным оружием.

И снова, как и ранее, Россия была пионером в деле развития и широкого разнообразного применения ракетного оружия. Впервые в этой войне именно Советская армия, по достоинству оценив возможности ракетной артиллерии, широко применила это грозное оружие на поле брани.

Основное преимущество ракетной артиллерии заключается в том, что для выстрела ракетным снарядом не требуется массивного, тяжелого орудия, вес которого в обычной ствольной артиллерии превышает вес снаряда в сотни раз¹. Поэтому ракетную артиллерию называют иногда «артиллерией без пушек».

¹ Так, например, 75-мм пушка, стреляющая снарядом весом в 6,3 кг, сама весит 1170 кг.

Фиг. 9. Гвардейские минометы („катюши") на Красной площади.

Большой вес обычного артиллерийского орудия объясняется массивностью основных элементов этого орудия — ствола, в котором при выстреле газы развивают давления в тысячи атмосфер, необходимые для сообщения снаряду огромных ускорений, и станины, которая должна воспринимать значительные усилия отдачи при выстреле.

Ракетное орудие не имеет ствола, нагруженного изнутри высоким давлением газов, так как сгорание пороха происходит не в орудии, а в самом снаряде. По этой же причине орудие не воспринимает никаких усилий отдачи. Роль ракетного орудия заключается лишь в сообщении должного направления ракетному снаряду при выстреле. Вследствие этого ракетное орудие представляет собой весьма легкий станок с направляющими — трубой, лотком или салазками, по которым движется снаряд при выстреле.

Это свойство ракетного орудия позволяет осуществлять залп несколькими ракетными снарядами с. помощью одной легкой установки представляющей собой сочетание нескольких ракетных орудий (фиг. 9). Установленный на автомобиле один такой пакетный миномет заменял большое число артиллерийских орудий. Благодаря значительно большей по сравнению с пушками подвижности этих установок и возможности в короткое время концентрировать большое число их в нужном месте, гвардейские минометы представляли собой грозное для врага оружие, позволявшее осуществлять неожиданно для него мощные огневые налеты.

После первого же успешного применения «катюш» в боях под Смоленском, в августе 1941 г., товарищ Сталин, предвосхитив их будущую роль в войне, сразу же дал указание всячески развивать этот новый вид вооружения, и оно получило самое широкое распространение в нашей армии.

Большой интерес ракетные орудия, благодаря их весьма малому весу, представляют также для самолетов (фиг. 10), так как создание артиллерийских орудий авиационного типа, т. е. весьма облегченных, представляет собой очень трудную задачу. Однако не меньшее достоинство ракетных орудий в качестве авиационных заключается в том, что они не передают самолету усилий отдачи. Для обычных орудий с увеличением калибра эти усилия становятся столь большими, что создают при выстреле значительные перегрузки самолета. Как показали испытания, легкие самолеты — истребители, — имеющие пушки, стреляющие вперед, при выстреле на мгновение почти останавливаются. Это резкое торможение, естественно, вызывает большие перегрузки в конструкции самолета, могущие привести к полному его разрушению, что иногда и наблюдалось. В то же время самолет средней величины, подобно изображенному на фиг. 11, может произвести залп ракетными снарядами среднего калибра, например, в 125 мм, равный по своей огневой мощи бортовому залпу эсминца, и это вовсе не скажется на его полете.

Наряду с этими несомненными достоинствами ракетные орудия имеют и весьма большой недостаток по сравнению с артиллерийскими — гораздо меньшую точность огня. Артиллерийский снаряд благодаря получаемому им в нарезном стволе орудия вращению обладает большой устойчивостью в полете. Ракетный же снаряд не обладает такой устойчивостью. Кроме того, незначительные изменения в характере горения пороха в ракетном двигателе такого снаряда, носящие случайный характер, значительно влияют на форму траектории. Правда, точность ведения огня ракетными снарядами с помощью ряда мер может быть значительно повышена. В частности, тщательная технология производства и строгий контроль обеспечивают тождественность пороховых зарядов и вследствие этого более или менее одинаковую работу двигателей разных снарядов, снарядам может быть сообщено вращение в полете и так далее. Тем не менее в настоящее время большой разброс при стрельбе из ракетных орудий не обеспечивает достаточной прицельности огня, который поэтому ведется только по сравнительно большим целям. Главной особенностью такого огня является его массированность.

Фиг. 10. Залп ракетных орудий с самолета.

Следует отметить, что наряду с ракетными орудиями, предназначенными для стрельбы снарядами большого калибра, этой, так сказать, ракетной артиллерией, в годы войны применялось и индивидуальное ракетное оружие для стрельбы с ближних дистанций по технике (танкам и др.) и живой силе противника.

Развитие порохового ракетного двигателя связано не только с артиллерией.

На заре развития авиации, когда создание управляемых летательных аппаратов как легче, так и тяжелее воздуха во многом задерживалось из-за отсутствия легкого и достаточно мощного двигателя, взоры изобретателей не раз обращались к реактивному двигателю. Одними из первых в этом направлении были работы русских изобретателей Третесского и Соковнина, относящиеся к середине прошлого века, в которых предполагалось использование реакции струи пара или сжатого воздуха.

Приоритет в отношении идеи использования порохового ракетного двигателя для летательного аппарата тяжелее воздуха принадлежит русской науке и связан с именем революционера-народовольца, студента института инженеров путей сообщения, Николая Ивановича Кибальчича.

Как известно, Кибальчич был активным участником террористического акта, осуществленного народовольцами 1 марта 1881 г. Кибальчич изготовил бомбу, которой был убит Александр II. Находясь в камере смертников, двадцатисемилетний Кибальчич за десять дней до казни подал записку с изложением существа своего предложения, идея которого у него возникла, очевидно, в процессе работы над бомбой.

Фиг. 11. Ракетные снаряды пошли на цель.

Фиг. 12. Так выглядел бы в полете ракетный летательный аппарат Кибальчича.

По мысли Кибальчича, как подъем, так и полет его аппарата должен был осуществляться под действием реактивного эффекта струи газов, образующихся при горении пороха в специальном ракетном двигателе, который должен был поворачиваться для управления полетом (фиг. 12). Помимо того, что в своей записке Кибальчич впервые излагал идею управляемого ракетного полета, чрезвычайно важным и ценным было его указание, что в ракетном двигателе должен применяться медленно горящий порох, спрессованный в виде ряда цилиндрических шашек. Предложение Кибальчича не подверглось рассмотрению, так как чиновники полиции считали, что «это едва ли будет своевременно и может вызвать только неуместные толки» и решили приобщить его к «делу 1 марта». Записка Кибальчича была обнаружена в полицейских архивах, где она пролежала более 36 лет, только в августе 1917 года.

Пороховой ракетный двигатель не нашел себе применения в качестве авиационного главным образом потому, что такой двигатель работает лишь в течение нескольких секунд или даже десятых долей секунды, а регулирование его тяги, необходимое для осуществления управляемого полета, представляет значительные трудности.

Тем не менее пороховой ракетный двигатель довольно широко применялся в авиации во время войны и применяется сейчас. Однако он служит не в качестве основного двигателя самолета, обеспечивающего его полет, а в качестве вспомогательного двигателя, тяга которого используется лишь при необходимости. Такая необходимость в эксплоатации может встретиться, например, когда требуется осуществить взлет перегруженного самолета, либо взлетная площадка мала (применение порохового двигателя может вдвое сократить разбег при взлете), загрязнена и так далее. В этих случаях пороховой двигатель носит название стартового (фиг. 13). В частности, пороховой двигатель может быть использован для запуска самолета или снаряда с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, который не в состоянии обеспечить самостоятельный старт.

Пороховой двигатель может быть использован и в качестве ускорителя, когда он включается с целью кратковременного увеличения скорости полета; например, когда нужно догнать противника или уйти от него.

Часто после использования пороховые двигатели сбрасываются; для этой цели они размещаются под крылом самолета (фиг. 14).

Фиг 13. Взлет пассажирского самолета с помощью стартовых ракет (ракеты размещены в фюзеляже). Фиг. 14. Пороховые ракетные двигатели под крылом бомбардировщика.

Преимущества порохового РД в качестве вспомогательного авиационного двигателя заключаются в его простоте, дешевизне, безотказности, малом весе и вместе с тем значительной тяге, которую такой двигатель развивает в течение короткого времени, что от него в данном случае и требуется.

В заключение следует упомянуть о попытках установить пороховой РД на различных автомобилях, мотоциклах, катерах и так далее, которые делались чаще всего с целью установления новых рекордов скорости и в рекламных целях. Научное и практическое значение этих попыток невелико, так как известно, что применение пороховых ракетных двигателей целесообразно лишь при больших скоростях передвижения, свойственных авиации и артиллерии. На фиг. 15 представлена схема рекордного автомобиля, имевшего сзади батарею пороховых ракетных двигателей. Испытания таких экипажей часто кончались катастрофой.

Фиг. 15. Автомобиль с пороховыми ракетными двигателями.

Основными конструктивными элементами порохового, как и любого другого ракетного двигателя, являются камера сгорания и сопло (фиг. 16).

Благодаря тому, что подача пороха, как и вообще всякого твердого топлива, в камеру сгорания представляет весьма трудную задачу, в пороховых РД весь запас топлива (пороха) размещается в камере сгорания и затем постепенно сгорает. Таким образом, объем камеры сгорания порохового РД определяется количествам размещаемого в ней пороха. По этой причине количество пороха в двигателе не может быть очень большим и пороховой РД обычно работает только несколько секунд (а иногда даже доли секунды).

Порох принадлежит к так называемым метательным взрывчатым веществам, которые в отличие от бризантных взрывчатых веществ не производят дробящего действия при своем разложении. Это объясняется значительно более медленным течением реакции разложения метательных ВВ. Тем не менее скорость горения пороха в стволах артиллерийских орудий весьма значительна. Если бы порох, размещенный в ракетной камере, горел с такой же скоростью, то давление пороховых газов было столь велико, что несомненно разорвало камеру, прочность которой неизмеримо меньше прочности артиллерийских стволов.

Если произойдет такой разрыв камеры, то ракета, конечно, никуда не полетит. С другой стороны, если порох будет гореть очень медленно, то секундный расход газов, а следовательно и тяга, будут малы. Поэтому должны быть приняты специальные меры, обеспечивающие нужную скорость горения пороха в камере сгорания РД. Эти меры в основном сводятся к определенной технологии изготовления пороха для ракетных двигателей.

Как известно, порох был изобретен в XIV веке. Этот порох, так называемый черный, представлял собой смесь селитры, серы и угля и в таком виде применялся в течение более 500 лет. Около 100 лет тому назад был изобретен так называемый бездымный порох, который имеет ряд преимуществ перед черным — он, как показывает его название, не образует дыма и, что очень важно, выделяет больше тепла при сгорании, что в случае ракетного двигателя обеспечивает большую скорость истечения и потому большую тягу. К числу бездымных порохов относятся пироксилиновый, нитроглицериновый и другие пороха. Они отличаются от черного пороха тем, что представляют собой уже не смесь, а однородные химические соединения, которые при реакции горения разлагаются, выделяя значительное количество тепла и образовывая много пороховых газов. В ракетных двигателях в настоящее время обычно применяются различные сорта бездымного пороха. Черный порох иногда применяется в простейших ракетах — фейерверочных и других.

Фиг. 16. Схема порохового ракетного двигателя.

Химическая реакция разложения взрывчатых веществ протекает чрезвычайно быстро. При вспышке взрывчатое вещество разлагается за тысячные и даже десятитысячные доли секунды, скорость детонационной волны достигает тысяч метров в секунду. Но если горение распространяется по заряду с небольшой скоростью, то реакция разложения протекает несравненно медленнее.

Если мы, например, изготовим из бездымного пороха плотный стержень и на открытом воздухе подожжем его с одного конца, то такая пороховая «свечка» будет постепенно сгорать ее скоростью около 1 мм/сек. Правда, для этой цели нужно будет тщательно проследить за тем, чтобы пламя не перебросилось вдоль по стержню по его наружной поверхности, для чего эту поверхность нужно плотно покрыть каким-нибудь изолирующим материалом.

Если мы теперь изготовим из пороха шар и подожжем его с поверхности, то время горения шара, очевидно, будет тем больше, чем больше сам шар. Если наш шар, например, будет иметь радиус 6 см, то он сгорит приблизительно за 1 минуту (вспомните свечку); если же радиус шара будет равен 12 см, то горение пороха будет длиться уже 2 минуты и так далее.

Чем меньше будут пороховые зерна, тем быстрее сгорит порох, так что тонкая пороховая пыль сгорит почти мгновенно, произойдет вспышка, так как химическая реакция будет протекать сразу по огромной суммарной поверхности мельчайших частиц. Следует отметить, что даже сравнительно медленно горящие вещества при сильном размельчении ведут себя так же (взрывается угольная пыль, мука и т. д.). Поэтому время сгорания пороха можно изменять, подбирая размер пороховых зерен. Пистолетный и ружейный порох делается очень мелким, так как в этом случае сгорание должно быть почти мгновенным; артиллерийский порох состоит обычно из довольно больших кусков (с кулак) шарообразной или цилиндрической формы, так как сгорание его должно длиться несколько сотых долей секунды, пока снаряд движется по стволу орудия (фиг. 17).

Судя по вышесказанному можно предположить, что зерна пороха для ракетных двигателей должны быть очень крупными. Первое время, однако, порох для ракет изготовлялся из мельчайших частиц (пороховая мука), но только плотно спрессованных. При таком прессовании внутри порохового заряда сохраняются небольшие воздушные каналы, по которым распространяется горение. Вследствие этого время сгорания получалось гораздо меньшим, чем при сплошном стержне, так как поверхность горения получалась большей. Вместе с тем, вспышки не получалось, если только порох был спрессован достаточно плотно; в противном случае воздушные каналы в заряде оказывались сообщенными между собой и горение мгновенно распространялось по всей массе заряда. При такой технологии изготовления порохового заряда часто применялась так называемая набивка с пролетным пространством, т. е. с выемкой внутри заряда. В этом случае горение распространяется вглубь заряда по всей поверхности пролетного пространства, вследствие чего время сгорания уменьшается. Кроме того, придавая различную форму пролетному пространству, можно до некоторой степени изменять продолжительность сгорания и, следовательно, тягу двигателя по времени.

Фиг. 17. Горение и детонация.

В последнее время сплошная набивка порохом почти не применяется и используется лишь для простейших ракет. Дело в том, что набивные заряды из черного пороха очень чувствительны к атмосферным условиям, в особенности к температуре окружающего воздуха. На холоде или от тряски заряд может растрескаться и, кроме того, между стенкой камеры сгорания и зарядом может образоваться зазор. Все это приводит к резкому уменьшению времени сгорания пороха и вследствие этого к разрыву ракеты. Поэтому в настоящее время пороховой заряд обычно составляется из одной или нескольких шашек в виде полых цилиндров (фиг. 18), а иногда из нескольких сплошных шашек с изолированной каким-либо покрытием наружной поверхностью (такие шашки горят только с торца). Горение полых цилиндрических шашек происходит как по наружной, так и по внутренней поверхности, так что уменьшение наружной поверхности по мере выгорания пороха компенсируется увеличением поверхности горения изнутри трубки. Вследствие этого общая поверхность горения, а потому давление в камере сгорания и тяга двигателя остаются почти постоянными. Иногда для этой цели применяется так называемый профильный порох, как, например, показанный внизу на фиг. 18 (применяются и более сложные формы сечения пороховых трубок), е котором выгорание пороха с торцов компенсируется увеличивающейся поверхностью горения изнутри каналов в порохе.

Следует особенно подчеркнуть, что приготовление порохового заряда даже для простейших ракет является весьма сложным и опасным процессом и никоим образом не должно производиться неопытными людьми.

Фиг. 18. Продолжительность сгорания пороха, а следовательно, и давление в камере, зависят от формы зерен (шашек) пороха.

Воспламенение пороха осуществляется обычно с помощью электричества (фиг. 19); в начале поджигается специальный воспламенитель (чаще всего из черного пороха), от которого уже воспламеняется основной заряд. В результате горения пороха в камере сгорания образуются пороховые газы, имеющие большое давление и высокую температуру. В состав этих газов входят углекислота, угарный газ, водород, азот, пары воды и др.

Фиг. 19. Схема электрического запала пороха при запуске ракетного снаряда.

Температура пороховых газов в камере сгорания достигает 2000-2500° С; она зависит, главным образом, от теплотворной способности пороха, т. е. от количества тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг пороха¹.

Это количество тепла для современных ракетных порохов колеблется от 800 до 900 кал/кг. Следует заметить, что калорийность основной составной части бездымного пороха — нитроклетчатки — выше. Однако необходимость превращения последней в однородную желатинированную пороховую массу заставляет применять растворители, которые снижают калорийность пороха до указанного выше значения.

Теплотворную способность ракетных порохов и вместе с нею скорость истечения и тягу пороховых РД можно было бы повысить, если бы удалось подыскать такие растворители, которые устраняли бы взрывоопасность пороха и вместе с тем были сами достаточно калорийными. Жидкие топлива, применяющиеся в жидкостно-реактивных двигателях, обладают большей калорийностью, чем порох (примерно 1500-2000 кал/кг).

Давление пороховых газов в камере сгорания зависит от размеров проходного сечения сопла, точнее, от соотношения между поверхностью горения пороха и площадью этого сечения. Если бы сопло, через которое образующиеся пороховые газы вытекают в атмосферу, вообще отсутствовало, то давление в камере сгорания было бы очень высоким и достигало тысяч и даже десятков тысяч атмосфер.

В пороховых ракетных двигателях давление газов, конечно, гораздо меньше, так как образующиеся газы вытекают через сопло. Обычно это давление колеблется в пределах от 50 до 200 ата. Чем меньше площадь проходного сечения сопла, тем, при прочих равных условиях, это давление больше. При переходе к конструкции двигателя с повышенным давлением растет скорость истечения и тяга двигателя, но зато приходится делать более толстыми стенки камеры сгорания. Сравнительно небольшое давление по сравнению с давлениями в стволе артиллерийского орудия позволяет делать эти стенки тонкими; так, например, стенки камеры ракетного снаряда калибра 80-100 мм имеют толщину всего несколько миллиметров.

Скорость истечения газов в пороховом РД колеблется от 1500 до 2000 м/сек, в зависимости от применяемого пороха и конструкции сопла двигателя. В простейших пороховых двигателях, например фейерверочных ракетах, это сопло представляет собой простое отверстие в нижней крышке ракеты. В более совершенных двигателях внутреннее сечение сопла представляет собой канал, сначала сужающийся, а затем снова расширяющийся. Такой канал носит название сопла Лаваля и позволяет получать значительно большие скорости истечения².

¹ Эта температура зависит также от теплоемкости пороховых газов, времени сгорания и других факторов.

² Об этом подробнее рассказано в разделе о ракетном двигателе на жидком топливе (ЖРД).

Продолжительность работы порохового РД, вообще ограниченная количеством пороха, которое можно разместить в камере сгорания, зависит также от избранной скорости горения пороха. То же количество пороха можно сжечь за малое время, вследствие чего тяга будет большой, или же увеличить это время, так что тяга станет меньшей. Общее действие двигателя (или общий импульс), представляющее собой произведение тяги на время ее действия, останется при этом практически почти неизменным. Так, например, для одного и того же двигателя можно получить тягу 30 кг в течение 50 секунд или тягу 500 кг в течение 3 секунд; общий импульс в обоих случаях равен 1500 кг сек. Известна конструкция порохового РД, общий импульс которого достигает 45 000-50 000 кг сек; вес ракеты при этом равняется 1,5 тонны.

Применяемые пороховые ракетные двигатели имеют сравнительно небольшие размеры благодаря особенностям этого двигателя. В тех случаях, когда требуется увеличенная тяга, устанавливается несколько двигателей.

Простейшим и наиболее старым пороховым двигателем является фейерверочная ракета. Гильза ракеты (корпус) обычно делается из картона. В более мощных пороховых двигателях гильза изготовляется из латуни, стали или легких сплавов.

Аналогично устроена и градорассеивающая ракета, которая забрасывается с помощью порохового РД на высоту около 1 км, где происходит взрыв специального заряда взрывчатого вещества, находящегося в головке ракеты (фиг. 20). В ряде случаев с помощью таких ракет удавалось предотвратить выпадение града — град заменялся снегом или дождем, что объясняется интенсивным перемешиванием воздуха при взрыве ракеты.

Примерно такую же конструкцию имеют различные сигнальные ракеты, спасательные и другие. Основное отличие этих ракет заключается в том, как снаряжена их головка (несет ли она в себе светящийся состав, парашют и т. д.); двигатели же всех ракет весьма схожи между собой.

Устойчивость ракеты в полете достигается либо установкой специального стабилизатора, либо путем придания ракетному снаряду интенсивного вращения около его продольной оси. В боевых ракетах Константинова стабилизатор представлял собой деревянный стержень, прикрепленный к хвостовой части ракеты и далеко выступавший за ее задний обрез. В современных ракетных снарядах стабилизатор выполняется в виде стальных пластин, составляющих хвостовое оперение ракеты. Иногда устраивают косопоставленное (или спиральное) оперение, благодаря которому ракетный снаряд при полете в воздухе оказывается не только устойчивым, но и приобретает вращение около своей продольной оси, что улучшает кучность боя. Схема снаряда со спиральным оперением изображена на фиг. 21.

Второй способ обеспечения устойчивости ракетного снаряда, именно придание ему интенсивного вращения, как у артиллерийского снаряда, выпускаемого из нарезного орудия, достигается путем замены одного сопла коллектором сопел, расположенных под углом к оси снаряда. Благодаря такому устройству газовая струя, а следовательно и реактивная сила, направлены не только по оси снаряда, но и по касательной к нему, в результате чего снаряд приобретает быстрое вращение. Схема такого снаряда изображена на фиг. 22.

Фиг. 20. Градорассеивающая ракета.	Фиг. 21. Ракета с винтовым стабилизатором.	Фиг. 22. Ракета, вращающаяся под действием выходящих пороховых газов.

На фиг. 23 показано ракетное орудие, снятое в момент выстрела. На снимке видно несколько смонтированных на одной установке легких устройств ферменного типа для запуска ракетных снарядов.

Устройство авиационного ракетного снаряда показано на фиг. 24.

Стартовые пороховые ракетные двигатели, служащие для облегчения взлета самолетов, имеют продолжительность работы 4-10 секунд. В качестве примера приведем данные одного такого двигателя: заряд бездымного пороха — 12 кг, общий вес ракеты — 30 кг, тяга — 500 кг в течение 4 секунд. Обычно применяется батарея из нескольких таких ракет, например, от четырех до шести, так что общая тяга при этом получается равной 2000-3000 кг.

Фиг. 23. Ракетное орудие ведет огонь.

Фиг. 24. Устройство авиационного ракетного снаряда.

В заключение укажем, что были созданы пороховые ракетные двигатели и весьма внушительных размеров с тягой свыше 50 тонн. Однако эти двигатели были рассчитаны на очень кратковременное действие (меньше секунды).