Многие спрашивают, почему же понадобились большие высоты для изучения космических лучей, которые обнаружены на земной поверхности. Дело в том, что на основании наблюдений проф. Пикара и замеров стратостата «СССР» установлено, что по мере поднятия на высоту интенсивность космических лучей увеличивается. Кривая на рис. дает характер изменения интенсивности лучей по высоте.

Рис. 1

Судя по этим данным, можно предполагать, что слой атмосферы является экраном для космических лучей и только некоторые лучи достигают земной поверхности, а остальные отражаются атмосферой.

Изучение лучей, которые не доходят до земной поверхности, очевидно даст новые сведения об окружающем нас мире. Академик Иоффе подчеркнул, что физика уже не удовлетворяют высоты, достигнутые человеком, его интересует сверхстратосфера — область серебристых облаков, область ионосферы. Короче говоря, физика-астронома интересуют высоты в 80-100 км. Таким образом на конференции обнаружился разрыв между требованиями науки и достижениями современной техники. Нет сомнения, что техника ставит кроме всего самостоятельные задачи, задачи летания с большими скоростями в условиях, не зависимых от капризов тропосферы в виде метеорологических неожиданностей и т. п.

Рис. 2

Для того чтобы не быть голословным в отношении разрыва между требованиями физики и достижениями техники, рассмотрим коротко технические средства, дающие возможность человеку с необходимыми приборами или только прибором проникать в стратосферу.

Стратостат — прекрасное средство для изучения стратосферы. Положительной стороной его является то, что он дает возможность человеку непосредственно проникать на сравнительно большие высоты. Но достаточно привести несколько цифр, которые со всей очевидностью покажут, что высоты, достигнутые стратостатом уже в настоящее время, приближаются к пределу, или, как говорят, к потолку стратостата. Например для подъема стратостата на высоту 28 тыс. м по расчету объем оболочки должен быть равен 100 тыс. м³, а для подъема на 30 тыс. м объем оболочки достигает 300 тыс. м³, таким образом реальный потолок стратостата ограничен высотой 30-31 тыс. м, так как при давлении, равном 4 мм ртутного столба, объем оболочки достигает 1 млн. м³.

Стратоплан — это самолет с герметической кабиной для пилотов с так называемым высотным мотором и винтом с переменным шагом, угол поворота лопастей которого изменяется в зависимости от разряжения внешней среды. Таким образом винт с переменным шагом дает возможность при постоянном числе оборотов мотора иметь приблизительно постоянную тягу (тянущую силу винта). Но если угол поворота винта к плоскости его вращения нормально равен 5°, то для сохранения постоянства тяги на высоте 15 тыс. м угол поворота (расчетный) должен быть равен 35°.

Один из способов достижения высотности мотора заключается в том, что мотор снабжается нагнетателем, который обеспечивает по мере поднятия на высоту нормальное питание мотора смесью бензина с воздухом. Следовательно до определенной высоты мощность мотора приблизительно сохраняется постоянной.

Для иллюстрации приведем высотную характеристику мотора Либерти с нагнетателем Рута. Из характеристики (рис. 2) видно, что при поднятии на высоты выше расчетной, количество засасываемой в цилиндр мотора смеси уменьшается, вследствие чего мощность мотора падает. Ставя последовательно несколько нагнетателей, мы можем повысить высотность мотора. Но поставить больше трех нагнетателей мы пока что едва ли сможем, так как это ведет к перетяжелению машины до такой степени, что она не оторвется от земли.

Рис. 3. 1 — стенка оболочки, толщиной в 65 мм; 2 — парашют для спуска; 3 — инструмент; почта; 4 — вытяжной трос парашюта; 5 — горючий газ пропан; 6 — клапан для впуска пропана; 7 — клапан для впуска кислорода; 8 — автоматические клапаны для горючего; 9 — камера охлаждения мотора; 10 — камера сгорания; 11 — дюза (сопло); 12 — оперение

Три ступени нагнетателей очевидно обеспечат полет на высотах до 20 тыс. м при благополучном разрешении вопроса охлаждения как смеси, так и всего двигателя.

Зондирование высот при помощи шаров-зондов очевидно также ограничено высотами в 30-35 тыс. м, если верить в случаи подъема шара-зонда на 36 тыс. м.

Итак, техника в настоящее время ограничена высотами 20-30 тыс. м. Где же выход из положения? Где средства, обеспечивающие подъем хотя бы приборов на наиболее интересующие науку высоты?

Доклад инж. М. К. Тихонравова: «Применение ракетных летательных аппаратов для исследования стратосферы» вызвал большой интерес со стороны делегатов конференции. Из доклада очевидно, что разрешение задачи ракетного летания ставит этот вид техники вне конкуренции по исследованию верхних слоев атмосферы. Не случайно проф. М. С. Эйгенсон, выступая после доклада Тихонравова, усмотрел в ракетной технике будущий астрономический транспорт.

Я думаю, читателю небезынтересно ознакомиться с этим многообещающим летательным аппаратом и возможностями использования его в недалеком будущем. На рис. 3 изображена схема почтовой ракеты Лебеця (Германия), назначение которой, по имеющимся сведениям, — перевозка почты через океан. В подробности данной конструкции в этой статье мы не будем вдаваться, так как они вызывают ряд сомнений, а приведем ее как принципиальную схему ракеты на жидком топливе.

Топливо и окислитель поступают в камеру сгорания. При горении этой смеси продукты сгорания — газы — расширяются, повышая давление в камере. Вследствие разности давления в камере и окружающей среде, газы выталкиваются через отверстие, оканчивающееся конической трубкой (сопло).

Таким образом тепловая энергия топлива превращается в живую силу струи вытекающих газов.

Сила Ф, с которой ракета будет увлекаться в сторону, противоположную истечению газов из камеры сгорания, равна секундному количеству движения струи, т. е. φ = m·w

Ф — тяга (толкающая сила),

m — секундная масса газа k/g

k — секундный расход горючей смеси,

w — скорость течения газов из сопла,
— энергия к. п. д. двигателя. Н_u — теплотворная способность 1 кг смеси.

Зная начальный вес ракеты, который обозначен g_о и тягу двигателя Ф, мы можем найти уравнение движения ракеты при вертикальном полете.

Ускорение

R = C_x·ρ·SΔv² — сила сопротивления воздуха.

На основании полученных выражений, задаваясь различными соотношениями веса ракеты и тяги двигателя, мы можем определить высоту подъема ракеты.

Всем известно, что с увеличением высоты давление воздуха падает, следовательно разность давления в камере двигателя и во внешней среде увеличивается и тяга двигателя Ф возрастает. В подтверждение этого обстоятельства я привожу полученную на основании расчета кривую (рис. 4), характеризующую изменение тяги ракетного двигателя по высоте Н.

Рис. 4.

Для простоты расчета был взят двигатель с тягой Ф = 150 кг до высот 20 тыс. м. Этот расчет не претендует на абсолютную точность, и развитие ракет на жидком топливе эту цифру исправит, вероятно, в сторону увеличения. Все же из диаграммы видно, что на высоте 20 тыс. м Тяга двигателя увеличивается на 8% (оговариваюсь, что разрежение за нижней частью ракеты при полете на сверхзвуковых скоростях я не рассматриваю).

Рис. 5

Второй наиболее важный момент — это изменение в сторону уменьшения силы сопротивления R — воздуха, вследствие падения плотности с высотой подъема.

Чем меньше R, тем больше скорости полета, а чем больше скорости полета, тем больше полезное действие ракеты, которое вычисляется по формуле.

Скорость истечения w мы знаем из расчета двигателя и, задаваясь различными скоростями полета ракеты v, мы можем построить кривую изменения полезного действия ракеты (рис. 5).

Рис. 6

Из этой диаграммы видно, что чем ближе скорость полета ракеты приближается к скорости истечения газов, тем больше полезное действие ракеты. Так что совершенно неграмотно стремление некоторых изобретателей использовать ракетный двигатель в условиях земных или близких к земной поверхности.

Рис. 7

Кроме всего изложенного необходимо также учесть еще одно очень важное обстоятельство — это время работы двигателя в ракете.

Рис. 8

Время т. е. чем больше отношение веса горючего к полному весу ракеты и чем больше скорость истечения W, тем больше время работы двигателя.

На рис. 6 показано, как растет время t в зависимости от скорости истечения и процентного содержания горючего в ракете.

Учтя все вышеизложенные обстоятельства, на основании расчетов, базирующихся на реальных производственно- технических возможностях, можно считать, что ракета может выполнить требования науки, стремящейся к разгадке тайны космических лучей, которые дадут совершенно новые сведения об окружающем нас мире и расширят кругозор об „атомном ядре“ (Иоффе).

Для иллюстрации этих возможностей я привожу характеристику высокой ракеты, рассчитанной на подъем соответствующих приборов на интересующие высоты. Эта характеристика проводилась инж. М. К. Тихонравовым на конференции, как доказательство, что требования акад. Иоффе будут иметь над собой технические основания в ближайшее время.

В приведенной характеристике кривая (рис. 7) (1) (j = f(t) дает картину ускорений ракеты; кривая (2) v = f(t) показывает изменение скорости полета по времени. Наконец кривая (3) z = f(t) — нарастание высоты по времени. Как видно из кривой (5) данная ракета достигает высоты z =. 133 тыс. м, т. е. 133 км. Допустим, что практика полета внесет поправку в сторону снижения потолка этой ракеты и она поднимется на 100 км. даже в этом случае задача решается в положительную сторону. Нужно верить, что техника ракетного летания в ближайшее время поставит себя вне конкуренции в смысле достижения высот.

Приведенная ниже диаграмма (рис. 8), построенная (выше 20 км) на предположении, поможет читателю убедиться, как сможет ракета расширить наши понятия о пространстве, окружающем нашу планету.

Должен оговориться, что приведенные расчетные данные ни в коем случае не являются потолком для ракеты как летательного аппарата. Ракета теоретически потолка не имеет. Потолок ракеты растет по мере применения более энергетического топлива и рациональности конструкции. Наконец я хочу предупредить читателя, что проблема ракетного летания является весьма и весьма интересной проблемой, но, насколько она интересна, настолько трудна в практическом решении. Эта проблема требует мобилизации не только научно-технических сил, но и всего миллионного изобретательского коллектива.



Хроника. По СССР
* Военно-научный комитет ленинградского облсовета Осоавиахима развернул работу по изготовлению ракеты для полета в стратосферу. Приступлено к изготовлению реактивного двигателя на жидком топливе.