Глава XII

Все эти требования в модели «В» выполняются.

Для того чтобы доказать, что ракеты пригодны для полета в межпланетном пространстве, целесообразно дать описание такой ракеты. На фиг. 52 показано лишь самое необходимое — один разрез по длине обеих ракет (спиртовой и водородной) и два поперечных разреза (плоскость разреза обозначена пунктирной линией — тире с точкой, маркированной греческими буквами). То, что относится к спиртовой ракете, показано сплошными линиями, а к водородной — пунктиром.

Ракета модели В предназначается для того, чтобы исследовать высоту, состав и температуру земной атмосферы, точнее установить ход кривой значений γ подтвердить и уточнить наши расчеты величин с, Т, р и др. (в особенности для водородной ракеты). Сама конструкция, как было сказано, состоит из спиртовой и водородной ракет. Она имеет длину 5 м, диаметр 55,6 см и весит 544 кг, из которых 6,9 кг приходится на водородную. Кроме того, имеется еще вспомогательная стартовая ракета (см. фиг. 64).

В основу расчетов прочности принят такой материал, что изготовленная из него проволока сечением 1 мм² может быть нагружена объемом 6,7 дм³ этого же материала; железо и сталь можно при низких температурах нагружать в пять раз больше; при этом, как было показано в гл. IV, может быть получено в пять раз лучшее соотношение масс самих резервуаров и топлива. Но при низких температурах применение железа из-за его хрупкости становится сомнительным. Здесь необходимо показать, что эта ракета при всех условиях пригодна для полетов в межпланетных пространствах. Поэтому в дальнейших расчетах принимаются мягкие, но тягучие сплавы меди и свинца.

Для того чтобы показать, что наши ракеты могут быть построены даже при наихудших допущениях, в качестве горючего принята смесь, которая создает в камере сгорания температуру от 1400 до 1500°С, т.е. до 1700° абсолютных (в то время как в действительности можно допускать температуру примерно до 4000°).

В описании ракета более сложна, чем это может быть при ее постройке. Мы хотим показать, какие части машины принципиально необходимы, их назначение и действие. В дальнейшем будут приведены данные о возможности их упрощения. Мы обстоятельно описываем модель «В», а не «C» (которая, как мы уже знаем, имеет существенно более простую конструкцию и является более целесообразной), так как здесь идет речь не о защите какого-то определенного проекта.

Вообще в этой книге мы не стремимся изложить всю тео-шда и практику ракетной техники, и, пользуясь приводимым здесь материалом, нельзя построить ракеты. В этом издании изложено только около одной трети всего имеющегося материала и описаны сложные и мало пригодные для практических целей конструкции.

2. Ракета с двигателем, работающим на спирте

Общие сведения. s₀ = 7700 м. До высоты 5500 м ракета поднимается при помощи воздухоплавательных средств (см. фиг 68); стартовая (вспомогательная) ракета обеспечивает дальнейший ее подъем на 2200 м и достижение скорости V₀.

16,5 кг/см² < p₀ < 2О кг/см²

Топливо. В ракете находится воды 341,5 кг в смеси с 48,5 кг спирта, ректифицированного спирта 1,67 кг, жидкого кислорода 98,8 кг или соответствующее количество жидкого, воздуха (в этом случае требуется меньше воды). Эти вещества должны сгорать при давлении от 16 (и менее) до 20 ат. При пуске двигателя чистые пары спирта подводят к кислороду.

1700° < T₀ < 1750°С;

p_d ≈ β₀ ≈ кг/см²

Данные сопла.

Скорость истечения. Согласно гл. II, скорость истечения равна немногим больше 1800 м/сек. На неучтенные потери снижаем величину с до 1600 м/сек, а для того чтобы ориентироваться на нижний предел эффективности ракеты, принимаш что с равно только 1400 м/сек. В действительности же с, а вместе с ней и эффективность ракеты имеют более высокие значения.

Наибольший диаметр ракеты — 55 6 см. Резервуар для спирта находится под давлением 3 ат. Такое же давление поддерживается в отсеке для водородной ракеты Резервуар для кислорода находится под давлением (p₀ + 1,5) ат, которое поддерживается и при работе двигателя, так как часть кислорода испаряется и переходит в газообразное состояние.

Вес тяговой установки 16,2 кг, вес стабилизаторов 4 кг, вес резервуара кислорода 10 кг, вес насосов 8 кг, вес головки и др. — 6 кг. Толщина стенок 0,4 мм. Вес распылителя (форсунок) 3 кг. Все остальные части весят 4 кг.

Ψ₁ + m₀ = 56,2 кг

(Ψ₀ + m₀)/(Ψ₁ + m₀) = 544/56,2 = 9,7

Мы примем, однако, последнее отношение равным только 9.

Нагрузка на поперечное сечение составляет для заполненной ракеты 0,225 кг/см².

v₀ = 500 м/сек; v₁ равно от 2800 до 2900 м/сек

Нагрузка на поперечное сечение составляет к концу полета 0,0232 кг/см².

Время горения составляет 35 — 40 сек.; во время первых 15 — 20 сек. горения достигается скорость v, позже ракета летит с меньшей скоростью и таким образом, чтобы p₀ ≤ 20 aт. Отсюда следует, что (при с = 1400 м/сек) P/M₀ = 34 м/сек². Секундный расход массы составляет

12,01 кг/сек < dm/dt < 13,21 кг/сек.

Сгорание происходит следующим образом. В пространство А (фиг. 53) входят, не доходя до крышки, трубки С, диаметр которых внизу 2,5, а вверху 3,6 см. Между этими трубками находится спирт - ректификат в состоянии кипения, так как насос (обозначенный через mn) качает через специальные трубы горячий кислород, содержащий пар, поднимающийся сквозь спирт в виде пузырьков. Спиртовые пары уходят через трубки С. В эти трубы входят подводящие кислород трубы D, в стенках которых имеются отверстия. Так как давление в А равно p₀ ат, а в пространстве для кислорода — (p₀ + 1,5) ат, то кислород разбрызгивается в виде тонких струй и смешивается с парами спирта. Проходя мимо зажигательного устройства G на конце труб А, смесь загорается. Так как кислорода поступает больше, чем требуется для сгорания, то получается газ, который содержит 95% кислорода. Газ при 20 ат имеет температуру 700°. Трубки С входят в пространство Е, куда вводится разбавленный водой спирт; последний впрыскивается через узкие поры в виде тонких струй и здесь сгорает.

Описание ракеты (см. фиг. 52). Головка а ракеты представляет собой особую часть конструкции; она, как шапка, покрывает обе ракеты и держится при помощи эластичных пружин. Она состоит из двух частей или больше, напоминающих по форме кожуру разрезанного апельсина или дольки, из которых сшит кожанный мяч (фиг. 54). Отдельные части головки склеены коллодием. Когда горючее спиртовой ракеты сгорает, коллодий поджигается (каким образом — нас здесь не интересует) теми же искрами, которые зажигают горючее водородной ракеты. В результате части головки распадаются (вернее сказать, газы, которые окружают водородную ракету, отбрасывают их, при этом они могут также высвободить парашют, если он там помещен), и водородная ракета выходит наружу (фиг. 55).

С внутренней стороны головки находятся незаполненные объемы С (см. фиг. 52), которые защищают ее от погружения при падении в воду. Так как при скорости 2000 — 3000 м/сек воздух перед головкой сильно нагревается, то необходимо размещать в объеме С какое-нибудь простое устройство для охлаждения, например, ветрянку (на чертеже не показана). Работе этого устройства помогает то обстоятельство,, что объемы изнутри и снизу соприкасаются с испаряющимся водородом, который выходит через сопло водородной ракеты, поднимается, омывая тонкие стенки, и в точке К через специальный предохранительный клапан выходит наружу.

Водородная ракета находится в пространстве диаметром 30 см; диаметр самой ракеты 25 см, так что вокруг нее остается свободная зона шириной 2,5 см, которая заполняется газообразным водородом и сама делится перегородкой d. Подушки f сделаны из исключительно мягкого материала (например, затвердевшего светильного газа, вытянутого при помощи парафинового стержня в атмосфере водорода в нити или взбитого в пену). Между подушками остается пространство для прохождения паров водорода. В резервуаре е для смеси спирта с водой помещен поплавок g. Резервуар находится под давлением 3 ат, которое поддерживается тем, что насос mn подает горячий газ в двойное дно h, откуда он через многочисленные небольшие отверстия поднимается вверх. Давление регулируется автоматически. Если оно сильно повышается, — открывается клапан К и газ вытекает. Разбавленный спирт поступает через клапаны у и трубки О попеременно в камеры p₁ и p₂, которые имеют наверху выход через клапан К и внизу — через трубу К, соединенную с распылителем Z. Камеры снабжены двойным дном i, через поры которого проходят газы, поднимающиеся из mn. Клапаны открываются и закрываются в определенной последовательности; когда одна камера наполняется жидкостью из резервуара е, другая под давлением 20 — 23 ат подает смесь воды со спиртом к распылителю (естественно, что перед стартом обе камеры заполняются горючим, для того чтобы увеличить полезную емкость ракеты). Эти камеры должны обладать большой жесткостью и прочностью и, в противоположность остальным частям ракеты, должны быть довольно массивными.

Давление в резервуаре кислорода S (см. фиг. 53) составляет 18 — 21 ат, а в пространстве А — меньше на 1 ат; разделительная стенка между ними должна быть тонкой и прямой, она поддерживается проволоками q. Верхние поверхности кислородного резервуара напоминают по своей форме вытянутый эллипсоид. У самой стенки находится вентиль О₂ (см. фиг. 52), через который разбавленный спирт попадает к распылителю. Жидкость в камере p₁ стекает к середине, где находится труба К.

В кислородных баках должно поддерживаться давление 21 ат (при помощи испарения кислорода). Испарение происходит потому, что под этим резервуаром находится объем А, в котором температура весьма высокая. Но этого все же не достаточно; в большей мере испарению содействует горячий газ, который вдувается насосами mn описанным выше образом. Этот газ содержит пары воды, которые образуют при этом кристаллы льда, плавающие на поверхности кислорода.

В резервуаре кислорода также имеется поплавок g, предназначенный для регулирования расхода кислорода в соответствии с расходом спирта. Поплавки в баках спирта и кислорода воздействуют при помощи электрических устройств на предохранительный клапан кислородного бака и на процесс испарения кислорода. Если свободная поверхность кислорода понижается слишком медленно, автоматически поднимается давление в его резервуаре и тем самым увеличивается поступление кислорода в распылитель.

Воздушный резервуар w соединен трубой К с распылителем, в который поступает спиртовая струя. Он предназначается для того, чтобы заполнить спиртом все пространство между трубами Е и поддерживать здесь давление на определенном уровне. Это не может быть осуществлено только при помощи камер p₁ и p₂. Давление в резервуаре w поддерживается насосами mn, которые накачивают туда горячий газ. В резервуаре также находится поплавок g, регулирующий работу накачивающих камер p₁ и p₂. Так как резервуар w расположен под соплом водородной ракеты, то он должен быть снабжен теплоизоляцией. Резервуар имеет яйцевидную форму. Между w и p₁ остается свободное пространство I, где размещаются, будучи защищены от температурных колебаний, приборы, регулирующие и регистрирующие работу спиртовой ракеты, а также источник постоянного тока.

Насосы mn работают следующим образом (фиг. 56). Небольшой поршневый насос mn подает спирт попеременно в котлы m₂ и m₃ и постоянно — в котел n. Котлы m₂ и m₃ накачивают кислород в котел n (аналогично тому, как p₁ и p₂ накачивают спирт). На дне котлов m₂ и m₂ находятся куски натрия. При открытых вентилях m₄ и m₅ или m₆ и m₇ в котлы поступает кислород и куски натрия всплывают. Когда котлы m₂ или m₃ заполнены, вентили закрываются и через m₈ или m₉ над поверхностью кислорода поступает спирт. Воспламенение обеспечивается электрическими средствами. Сгорание поддерживается присутствием подходящего пористого тела*.

Камера сгорания О (см. фиг. 52) не соприкасается непосредственно с наружной оболочкой ракеты. Она имеет собственные тонкие стенки t, соединенные с металлической оболочкой при помощи металлических подпорок (на фигуре не показанных), которыми она поддерживается в надлежащем положении. Между стенками t и оболочкой течет жидкость из распылителя; она здесь испаряется и таким образом защищает стенки камеры сгорания от прогара. Пары проходят в камеры через зону L между распылителем и оболочкой, остаются возле стенок и изолируют их так от соприкосновения с горячим газом. Для того чтобы без надобности не испарялось много жидкости и вместе с тем, чтобы стенка t в верхней части не начала прогорать, в T₁ помещен термоэлемент, который в случае недопустимого повышения температуры вызывает больший приток жидкости. Пространство между t и оболочкой ракеты в некоторых местах расширено для помещения поплавка. В случае, если жидкость поднимается слишком высоко, поплавок прекращает ее приток и тем самым препятствует ее переливу в камеру сгорания.

Пространство между оболочкой и поверхностью t делится ва две части Q и R стенкой u, которая помещается у критического сечения F_m сопла. При истощении запасов горючего, находящегося в баках, расходуется горючее из отсеков Q и R.

При таком устройстве значительно уменьшается величина веса m₁, так как камеру сгорания и сопло не надо покрывать изнутри жаростойким материалом. Кроме того, при этом имеется возможность направлять газ вдоль металла, который его меньше удерживает, чем, например, асбест или шамот.

Сопло спиртовой ракеты может быть простым и иметь в сечении круглую форму, как показано на фигуре, или же может быть поделено на семь и больше частей (фиг. 57), которые выходят из одной камеры. Для небольших ракет (модель «В») применяется первый тип конструкции, а для больших — второй.

Стабилизаторы W показаны на фигуре только в плане. Это — совокупность четырех стабилизаторов, которые связаны друг с другом поперечными стенками. Они укреплены на тяговом агрегате и нижние их части могут вращаться вокруг оси х. При подъеме ракеты стабилизаторы направлены книзу и поэтому осуществляют стабилизацию полета. Ракета может ими управляться в полете, так как при помощи приборов, размещенных в отсеке I, положение нижних частей рулей может изменяться. При посадке рули складываются (фиг. 58) и при этом становятся несущими плоскостями ракеты, делая излишним применение парашюта. Стабилизаторы вместо со всеми устройствами весят 4 кг.

Резервуар для спирта может быть использован после отбрасывания нижней ракеты для забора проб воздуха из атмосферы. При его заполнении необходимо соблюдать осторожность. Сначала при открытых кранах через резервуар следует пропускать воздух, очищая и осушивая его. Затем перед заполнением пропустить (для охлаждения) воздух через трубку, которая помещается в атмосфере кислорода, иначе при значительном содержании водорода может произойти взрыв из-за тепла, возникающего при сжатии.

Таким образом ракета может быть использована для забора пробы воздуха в верхних слоях атмосферы. Время заполнения резервуара узнается по отметке на регистрирующем приборе.

Укажем, как обнаружить падающие части ракеты. Необходимо выбрать такое место старта, чтобы стартовая и спиртовая ракеты упали в воду, а водородная — в районе населенного места. Во внешней стенке ракет имеются круглые дверцы (фиг. 59), бортики которых входят внутрь стенок. Под такой дверцей помещается баллон (фиг. 60), прикрепленный к шнуру. Так как давление внутри камеры составляет 9 — 10 ат, баллон достаточно сжат и при выходе в атмосферу может увеличиться в 10 раз. Дверца может поворачиваться на петлях (фиг. 61), другая ее сторона припаяна от L до V; дверца закрыта так, что воздух через нее не проникает. Под местом припайки в зоне К находится кислота. Эта кислота постепенно разъедает металл пайки, и таким образом через несколько часов дверца открывается, ибо внутреннее давление больше наружного, и баллон выходит наружу.

По месту падения спиртовой ракеты можно установить характер движения верхних слоев воздуха, а отсюда и определить место падения водородной ракеты.

В спиртовой ракете размещены следующие регулирующие устройства и приборы:
1) источник постоянного тока;
2) гироскоп управления;
3) указатель ускорения;
4) поплавки, регистрирующие уровень спирта и кислорода; поплавки посылают электрический ток частично для регулирования потребления спирта и кислорода и частично — для аппаратов, записывающих температуру;
5) манометры, регистрирующие внутреннее давление; один из них должен находиться в головной части ракеты;
6) прибор для регистрации растяжения долек головной части; внутреннее давление, которое может раскрыть створки в головной части ракеты, должно быть, естественно, больше силы сопротивления воздуха L, и поэтому стенки головной части подвергаются усилиям растяжения; это растяжение регистрируется электрическим путем; если суммировать должным образом токи, которые получаются от этих усилий, то мы получим картину изменения силы сопротивления воздуха L;
7) специальное устройство для регулирования силы ускорения; токи, возникающие в приборах, описанных в пп. 5 и 6, а также токи, возникающие в показателях уровней жидкостей, воздействуют на электромагниты, установленные соответствующим образом на концах горизонтальной балки (одноименные полюса расположены друг против друга); балка своим положением усиливает или ослабляет работу насосов mn, а тем самым уменьшает или увеличивает ускорение ракеты; так как вблизи Земли вес ракеты является линейной функцией уровня жидкисти и так как скорость v выдерживается при L = G, то это устройство способствует тому, чтобы фактическая скорость была равна v;
8) термографы (лучше всего термоэлементы) для регистрации температуры; один из них находится в головной части ракеты для регистрации температуры сжатого воздуха.

Далее...