Машина-двигатель

Огненные стрелы

Кто из вас не любовался праздничным салютом, когда стремительные разноцветные ракеты взлетают в вечернее небо и прочерчивают на нем затейливые узоры? Откуда появляется эта сила, которая так далеко ввысь уносит ракету?

Быть может, некоторые из вас думают, что ракета представляет собой своеобразный снарядик, который выбрасывается из пушки-ракетницы силой порохового взрыва и в полете загорается?

Нет, дело обстоит иначе.

Разноцветные ракеты взлетают в вечернее небо.

Ракета — это снаряд, но сила для его полета возникает в нем же самом, внутри, пока сгорает содержащееся в патроне вещество. Значит, достаточно такой снарядик поджечь, как без всякого толчка он улетит в пространство, — надо его только направить. Вы, конечно, знаете, что ракетами-снарядами в Великой Отечественной войне стреляли наши знаменитые «Катюши» и наносили огромный урон врагу.

Конечно, в боевом ракетном снаряде толкающая сила развивается куда большая, чем в увеселительной, праздничной ракете.

Когда появилась первая ракета, трудно сказать, вероятно, вместе с появлением пороха. В древнем Китае ракеты привязывали к стрелам луков, и «огненные стрелы» летели далеко в стан врага, пугая его своими огненными хвостами и шумом, поджигая постройки. Мы не будем углубляться в историю ракеты, — об этом написано много специальных книг. Нас интересует сила, дающая движение ракете, потому что именно эта сила и оказалась использованной в реактивных двигателях.

На странице 143 изображена схема ракеты, внутри которой происходит сгорание какого-либо горючего вещества, например пороха.

Схема ракеты.

При сгорании выделяется много тепла, отчего газы внутри ракеты нагреваются и давят на стенки. Но каждой силе. давления на боковую стенку соответствует такая же сила, действующая на противоположную, и обе силы уравновешиваются. Для силы же, которая давит изнутри на верхнюю стенку ракеты, уравновешивающей силы нет, потому что корпус ракеты не имеет дна и через нижнее отверстие газы просто вылетают наружу. Вот и выходит, что верхняя сила должна толкать ракету. Иными словами, струя газа, вылетая из ракеты и как бы отталкиваясь от нее, в свою очередь толкает и саму ракету.

Теперь вспомним, что и в «сегнеровом колесе» движение получалось точно так же: вытекали струйки воды, и колесо вращалось в обратном направлении.

Мы тогда назвали этот принцип движения «реактивным». Потом мы узнали, что на реактивном принципе работают некоторые турбины. Теперь оказывается, что сила реакции вытекающей струи горячего газа — та самая неуравновешенная сила давления — толкает и ракету. Следовательно, если эту силу заставить выполнять полезную работу, то мы получим новый двигатель, который и будет называться реактивным.

Дальше мы подробнее поговорим о таком двигателе, теперь же нам следует обратить внимание на то обстоятельство, что реактивный двигатель является тоже тепловым двигателем и даже двигателем внутреннего сгорания. Как и для всех тепловых двигателей, для него очень важно, чтобы температура и давление сгорания были как можно выше, а температура отходящих газов и давление той среды, куда выбрасывается струя газа, — как можно ниже. Кроме того, обратим также внимание и на то обстоятельство, что в таком двигателе нет ни вращающихся, ни движущихся поступательно частей, то есть нет трения, и, значит, полезная работа не расходуется на «механические нужды» самого двигателя. Затем, поскольку здесь тепло, выделяющееся при сгорании топлива, не тратится на подходе к самому двигателю, как в паровых машинах и турбинах, то и тепловые потери оказываются значительно меньше. Иными словами, в реактивном двигателе коэффициент полезного действия может быть выше, чем в других тепловых двигателях.

Вот почему современная техника обратилась к этому типу двигателей, используя его для летательных аппаратов.

Но не будем забегать вперед и проследим, как появился такой двигатель.

Первый проект

Наша страна — родина реактивных двигателей.

Ракеты известны были давно и всюду. Но об использовании реактивной силы для движения летательного аппарата впервые заговорили всерьез русские изобретатели.

Более ста лет тому назад, в 1849 году, штабс-капитан Третесский, служивший полевым инженером в Кавказской армии, подал наместнику Кавказа рапорт с приложением описания и чертежей управляемого аэростата, движущегося от силы реакции вылетающих газов.

Газы же, которые должны с большой скоростью истекать из кормовой части дирижабля, изобретатель предполагал запасать в баллонах, предварительно эти газы сжимая в компрессоре.

Такой двигатель не мог быть, конечно, выгодным, или, как говорят, экономичным. Ведь для того, чтобы зарядить баллоны газом, надо было иметь еще какой-либо двигатель, приводящий в движение газовый компрессор.

При этом энергия, которую содержат в себе сжатые газы, оказывается меньше энергии, затраченной первичным двигателем, — ведь сколько было потерь в компрессоре, сколько потерь было при нагнетании в баллоны! А если к этому добавить, что и сам первичный двигатель (им могла быть в то время, например, паровая машина) имел низкий коэффициент полезного действия, то понятно, что вряд ли можно было ожидать успеха от такого использования энергии в будущем.

Но вспомним, что тогда самолет еще не был изобретен и инженеры думали не столько о том, чем приводить в движение летательный аппарат, сколько о том, как его заставить двигаться и как управлять его движением. И в этом смысле предложение Третесского об использовании реактивного принципа для движения управляемого аэростата было совершенно новым, оригинальным и заслуживало всяческого внимания.

Однако, в чем нам уже не раз приходилось с огорчением убедиться, царские чиновники были равнодушны к развитию отечественной техники. И проект Третесского, подобно многим другим проектам, погиб в дебрях канцелярий, не получив применения.

Проект, рожденный в тюремных застенках

Первым, кто подал идею теплового реактивного двигателя, идею самолета-ракеты, был знаменитый русский революционер — народоволец Николай Иванович Кибальчич.

Бывший студент Петербургского института инженеров путей сообщения, Кибальчич, отбывший два года тюрьмы за пропаганду революционных идей среди крестьян, в 1877 году возвращается снова в Петербург. Но жестокий царь Александр II, преследовавший передовых людей того времени, запретил поселяться в Петербурге тем, кто в какой-то мере был замешан в революционном движении. И молодому студенту-революционеру, страстно желавшему посвятить свою жизнь борьбе за лучшую долю народную и столь же страстно любившему науку, которой он хотел овладеть, пришлось отказаться от продолжения учебы в институте. Но он нашел другой путь, где его технические знания, его любовь к научным исследованиям могли сочетаться с активной революционной борьбой, служить ей. Кибальчич ушел в подполье, став пиротехником нелегальной революционной партии.

В тайном месте, о котором знали лишь самые надежные товарищи, Кибальчич создал свою лабораторию. Здесь он изобретал новые составы взрывчатых веществ, разрабатывал конструкции бомб и метательных снарядов. Народовольцы готовили террористический акт — покушение на царя.

Народовольцы еще не были марксистами, — они не понимали, что отдельными террористическими актами нельзя решить задач социалистической революции. Они потом только мешали марксистам вести правильную революционную работу, и Ленин боролся с народниками. Но до появления настоящей революционной марксистской партии к народникам примкнуло много отважных и преданных революции людей — среди них Желябов, Перовская, Кибальчич и другие. Искренне думая, что убийством царя им удастся приблизить революцию, они готовы были отдать свои жизни за будущее счастье народа.

И вот 1 марта 1881 года одной из четырех приготовленных Кибальчичем бомб был убит царь Александр II.

Взрыв бомбы не вызвал революции, но зато начались повальные аресты, и 17 марта — через две недели после покушения — был арестован Кибальчич.

Незадолго до ареста Кибальчич проводил серию опытов со спрессованным в плотные столбики порохом и заметил весьма любопытное свойство таких столбиков: если их поджечь, то они не сгорают мгновенным взрывом, как порошковый порох, а начинают гореть медленно, сгорая постепенно, слой за слоем. Это натолкнуло молодого ученого на мысль об использовании свойства спрессованного пороха в специальной ракете, которая бы двигала летательный аппарат.

Дальше следовало эту мысль развить, провести расчеты, сделать чертежи… Ведь такой двигатель был так нужен человечеству, он так значительно мог бы продвинуть вперед технику воздухоплавания!

Арест оборвал научные работы, спутал планы..

Но, попав в застенки Петропавловской крепости и зная о том, что его ожидает смертная казнь, отважный революционер не пал духом, не потерял способности мыслить и даже творить. И вот на белой оштукатуренной стене камеры появились первые линии чертежа.

«На оштукатуренной стене камеры появились первые линии чертежа…».

Кибальчич, как бы отрешившись от тяжелого сегодня, устремлялся мыслью в светлое завтра, — он твердо решил оставить человечеству свою идею. И это решение, и эта вера в то, что люди смогут осуществить и использовать его изобретение в далеком будущем, поддерживали его.

Начав излагать свой проект на стене, Кибальчич вскоре добился получения бумаги. Тюремщики, пораженные деятельной энергией смертника, выполнили его просьбу. И 23 марта — через 6 дней после ареста — Кибальчич передал написанный проект в жандармское управление.

Проект начинался словами:

«Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти, я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении».

Дальше излагалась суть предложения. Описав принцип ракеты, Кибальчич предлагает, для осуществления длительного полета такой ракеты, использовать патроны из спрессованного пороха. Значит, если на летательный аппарат установить двигатель — ракету — и непрерывно ставить в нее и поджигать столбики спрессованного пороха, то такой аппарат будет летать долго. Чтобы менять скорость полета, Кибальчич предложил иметь в запасе набор патронов — потолще и потоньше. Чем больше диаметр патрона, тем больше будет сгорать пороха в единицу времени, тем выше будет температура в ракете, выше будет давление газов, выше будет и скорость вылета газовой струи, а следовательно, и скорость полета самой ракеты.

Так выглядела бы ракета Кибальчича, если бы ее построили…

Кибальчич предложил много разных устройств, одни из которых автоматически устанавливали бы новые патроны, а другими можно было бы управлять направлением полета.

Но ракетоплан не был построен… Кибальчичу сказали, что его проект передан на рассмотрение комиссии ученых, а на самом деле он был положен в архив с резолюцией: «ученым не передавать во избежание неприятных толков».

За два дня до казни Кибальчич просил свидания с кем-либо из ученых.

Он писал, что если ученые признают осуществимость идеи, то «я спокойно тогда встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мной, а будет существовать среди человечества, для которого я готов был пожертвовать своей жизнью».

Но свидание не состоялось. 3 апреля 1881 года Кибальчича казнили.

Долгое время никто не знал точного содержания проекта, и лишь в 1918 году, после Великой Октябрьской социалистической революции, проект был разыскан в архивах полиции и затем опубликован.

Однако еще на суде и в разговорах с друзьями Кибальчич успел устно передать свои мысли, которые впоследствии заставляли задумываться многих ученых и изобретателей.

И среди тех, кто дальше продвинул идею реактивного двигателя, следует прежде всего назвать еще одного русского изобретателя и ученого — Константина Эдуардовича Циолковского.

Учитель из Калуги

Долгая и плодотворная жизнь Константина Эдуардовича Циолковского — яркий пример героического служения науке.

…В семье лесничего Циолковского стряслась беда: младший сын Костя тяжело заболел скарлатиной. В рязанской глуши в те далекие годы нельзя было рассчитывать на хорошую медицинскую помощь, — лечили как могли. И болезнь не прошла бесследно. Костя поправился, но резко ухудшился слух.

Недоступными сделались детские игры, школа… Читать и писать Костю обучали дома; пока жива была мать, учился он регулярно. Но вот новое несчастье потрясло семью: спустя два года, умирает мать. Еще тяжелее стало жить покинутому, почти глухому мальчику. На дворе бегали и резвились ребята — среди них и старшие братья Кости, — о чем-то весело болтали, смеялись… У них были какие-то свои интересы, своя счастливая жизнь.

В их мире Костя чувствовал себя чужим. Зато у Кости стал появляться свой интересный мир. Удобно примостившись на подоконнике, обложившись картоном и бумагой, Костя с увлечением склеивал разные игрушки. Ему доставляло радость сознание, что склеенные им часы с гирями очень похожи на настоящие, что его кукольные домики очень нравятся соседским девочкам, которые из-за этих домиков готовы поиграть и с ним.

Но годы шли. С большим трудом, прочитывая учебники и книги своих братьев, он начал постигать различные школьные знания. Только в 14 лет Константин впервые взялся за учебник арифметики. Всё оказалось понятным. И страница за страницей, книга за книгой приносили ему всё новые и новые радости, — он стал уже многое понимать, а жажда к знаниям всё росла и росла. Вместе с тем и совершенствовалась изобретательность: уже не игрушки, а токарный станок по дереву сооружает пятнадцатилетний Костя. Уже не кукольные домики, а автомобиль с паровой тягой, аэростат и летательные аппараты с крыльями занимают его…

Старик отец, видя незаурядные способности сына, решается отпустить его в Москву — продолжать учебу.

И вот шестнадцатилетний парнишка с тяжелым физическим недостатком, один, без друзей и знакомых, оказывается среди шумных московских улиц. В университет поступить не удалось, и, сняв дешевый угол у бедной прачки, Константин начинает учиться самостоятельно. Строго распределив свое время, он с утра уезжает в библиотеку и лишь к вечеру ее покидает. По пути домой юноша заходит в магазин, где на свои скудные средства приобретает кое-какие материалы, препараты. Вечером он изготовляет различные приборы и сам проводит опыты по физике и химии.

Так проходит еще два года. Многое достигнуто, но хочется большего. Однако отец, опасаясь за здоровье сына, забирает его домой — в Рязань. Здесь в 1878 году, двадцати одного года от роду, Константин Циолковский сдает экзамен на звание учителя уездной школы.

Сначала его посылают учительствовать в город Боровск, под Москву. Там начинается научная работа молодого учителя. Он связывается с Петербургским физико-техническим обществом, где ряд его работ получает одобрение.

Однако наиболее интересные и важные работы молодой учитель физики развернул в Калуге, куда он был переведен в 1892 году.

Еще в 1883 году Константин Эдуардович Циолковский в одном из своих ранних сочинений, которое называлось «Свободное пространство», писал: «Положим, что дана была бочка, наполненная сильно сжатым газом. Если отвернуть один из ее кранов, то газ непрерывной струей устремится из бочки, причем упругость газа, отталкивающая его частицы в пространство, будет так же непрерывно отталкивать и бочку. Результатом этого будет непрерывное изменение движения бочки».

Так пришел к мысли об использовании реактивного принципа движения человек, который затем решил посвятить всю свою жизнь дальнейшей разработке этого принципа.

То, что говорил Циолковский о бочке, сильно напоминает идеи Третесского. О тепловом двигателе здесь еще также нет речи.

В 1896 году Циолковский прочитал небольшую брошюру инженера Федорова — «Новый способ воздухоплавания, исключающий воздух, как опорную среду». Автор описывал возможность использования ракетного принципа для полета снаряда в безвоздушном пространстве. Но в книжке не всё было ясно, она не имела большой ценности. Однако молодому учителю физики показалась заманчивой раскрывшаяся перспектива полета в межпланетное пространство с помощью ракеты. Он решил сам проверить все положения автора, всё рассчитать, доказать и, если надо, дополнить. Как потом говорил сам Циолковский, эта маловажная книга толкнула его на серьезные исследования.

В 1903 году вышла новая работа Циолковского — «Исследование мировых пространств реактивными приборами».

Здесь впервые были даны расчеты и научное обоснование межпланетного ракетоплавания. И, конечно, не бочка с газом, а ракетный тепловой двигатель должен был приводить в движение космический корабль.

Но порох, о котором говорил Кибальчич, всё же нельзя было сжигать в ракетном двигателе, если требовалось получить длительную работу такого двигателя.

Циолковский не мог рекомендовать порох как топливо, потому что порох обладал низкой теплотворной способностью, то есть один килограмм пороха при сгорании выделял мало тепла, и, следовательно, надо было бы слишком много такого топлива брать с собой в полет. Сгорание одного килограмма лучшего пороха дает только 800–900 больших калорий тепла.

Но у пороха зато есть и достоинство: при сгорании он не требует воздуха, порох сам — и горючее вещество и окислитель. А вот для другого топлива нужен воздух, или, точнее, кислород.

Циолковский предложил ракетный тепловой двигатель, который работал бы на жидком топливе — жидком водороде или бензине, керосине и так далее, а для окисления, чтобы поддерживать гонение, следовало брать с собой и кислород в жидком виде.

Ракета Циолковского похожа на каплю дождя. В носовой части корабля размещаются экипаж и приборы. Вся другая часть занята под топливохранилище. Половину этого хранилища занимает само топливо, а половину — жидкий кислород. Постепенно, порция за порцией, подаются топливо и кислород в камеру сгорания. Здесь поддерживается всё время горение, и нагретые до высокой температуры газы с огромной скоростью вылетают наружу, создавая силу реакции и заставляя ракетоплан тоже с большой скоростью нестись вперед.

Схема устройства космического корабля с реактивным тепловым двигателем, предложенная Циолковским.

Жидкий водород, по подсчетам Циолковского, соединяясь с кислородом в 1 килограмм воды, выделяет 3 825 калорий. Следовательно, такого груза (жидкий водород + жидкий кислород) можно взять примерно в пять раз меньше, чем пороха.

Циолковский не только выдвинул идею реактивного двигателя на жидком топливе, но и предложил ряд очень важных конструктивных решений: он указал на способы подачи топлива в камеру сгорания, на способы охлаждения двигателя, на способы управления двигателем и ракетой, на способы спуска ракеты.

И мысли, высказанные замечательным ученым, были настолько правильными, что даже пятьдесят лет спустя, в реактивных двигателях наших дней, многие из этих мыслей нашли практическое воплощение.

Двигатель, сам себя съедающий

Для каких целей, где может найти себе применение реактивный двигатель?

В первых же своих работах Циолковский показал, что никакой другой двигатель не сможет осуществить давнишнюю мечту человечества — перенести человека с Земли на другую планету. Еще в средние века такая мысль будоражила ум человека. Французский поэт, литератор и физик Сирано де Бержерак (1619–1655) в своих фантастических сочинениях указывал несколько, по его мнению, возможных способов путешествия на Луну. И в числе прочих он предлагал использовать силу непрерывно действующих, взрывающихся по очереди пороховых ракет.

Однако и сам Сирано де Бержерак и многие другие после него полагали, что можно отправить межпланетный корабль и другими способами.

Помните, например, как Жюль Верн отправлял своих героев на Луну? Он делал это с помощью огромной пушки, которая с невероятной силой и скоростью выбрасывала снаряд в межпланетное пространство.

Циолковский подсчитал, что если бы даже удалось построить пушку со стволом в 300 метров высоты (то есть в три раза выше Исаакиевского собора в Ленинграде) и обеспечить такое кратковременное давление газов, которое могло бы выбросить снаряд за пределы атмосферы, то оказалось бы, что, при огромной скорости вылета снаряда и огромной силе толчка, ни один прибор бы не остался цел, не говоря о человеке. Да и безопасный спуск такого снаряда на землю тоже оказался бы невозможным.

С другой стороны, как показал далее Циолковский, ракетный снаряд лишен этих недостатков. Он может сравнительно плавно подняться; его скорость может регулироваться, постепенно увеличиваясь.

В ракете могут безопасно размещаться приборы и даже люди. Возможна и обратная надежная посадка ракеты на Землю.

Кроме того, — об этом мы уже знаем — ракета может пролететь большие расстояния и развить большие скорости, а на больших скоростях ракетный тепловой двигатель окажется особенно экономичным, — до 85 % выделяемого топливом тепла сможет быть использовано на полезную работу толкания снаряда.

Вспомним, что лучшие паровые турбины используют только 35 % выделяемого топливом тепла, а лучшие двигатели внутреннего сгорания — дизели — используют только 45 %.

…Много прошло времени — половина века — с тех пор, как вышла первая работа Константина Эдуардовича Циолковского о жидкостном реактивном двигателе. Еще больше — три века прошло со времени Сирано де Бержерака. Мечта человека о межпланетном полете сейчас уже становится реальностью. И нашей родине принадлежит заслуга активного научного участия в решении этой задачи. Академия наук СССР установила в 1954 году специальную премию за лучшие работы в области межпланетных сообщений. Президент Академии наук Несмеянов на сессии Всемирного Совета Мира 27 ноября 1953 года сказал: «Наука достигла такого состояния, когда реальна посылка стратоплана на Луну…»

Наши советские инженеры, продолжая развивать идеи Циолковского, много и плодотворно работают над разрешением наиболее сложных технических вопросов, связанных с постройкой «космического корабля».

Интересуясь двигателями, мы не можем не обратить внимания на любопытное предложение ученика и помощника Циолковского — инженера Цандера.

Цандер, исследуя вопрос о возможности применения в ракетном двигателе наиболее высококалорийных топлив, предложил в качестве горючего использовать… некоторые металлы.

Оказывается, сгорая в кислороде, такие металлы, как алюминий или магний, могли бы выделять еще больше тепла, чем жидкое топливо, и ракетный двигатель оказался бы более мощным. Цандер показал, что это имеет большое значение для космического корабля, так как в таком случае можно было бы постепенно сжигать становящиеся ненужными металлические части самой ракеты.

При этом ракета делалась бы всё легче, а скорость ее всё возрастала бы.

Вот тогда-то и получился бы двигатель, который частично сам себя съедал!

Однако техника пока еще не нашла удачного решения такой задачи. Продолжаются упорные исследования, ученые и инженеры ищут наилучшие способы сжигания и управления горением таких металлических топлив.

Отпадающие двигатели

Еще Циолковский подсчитал: для того, чтобы ракета смогла преодолеть земное притяжение и улететь в мировое пространство, она должна подняться с Земли со скоростью не менее чем 11,2 километра в секунду. Значит, для межпланетного корабля должен быть построен такой двигатель, который способен был бы разогнать ракету вскоре после взлета до такой огромной скорости. Правда, если взлет ракеты в мировое пространство производить не с Земли, а с какого-то промежуточного спутника Земли, то двигатель сможет развивать меньшие мощности, а ракета полетит с меньшей начальной скоростью.

Сейчас ученые работают и над созданием межпланетных ракет, поднимающихся с Земли, и над созданием искусственных спутников Земли.

Оказывается, что для того, чтобы ракета могла подняться с Земли с нужной скоростью, пролететь далее по заданному маршруту и вновь вернуться на Землю, она должна запастись огромным количеством топлива. Так, для полета на Луну требуется, чтобы вес заправленной топливом ракеты был почти в 40 раз больше веса незаправленной ракеты.

Пока не удалось найти такого топлива, чтобы можно было развивать нужную мощность двигателя при малом потреблении этого топлива и снизить соотношение между нужными запасами горючего и весом ракеты.

Обычные современные виды топлива выделяют при сгорании сравнительно мало тепла, отчего приходится сжигать большие количества топлива.

Мы уже знаем, что Цандер предложил двигатель, сам себя съедающий, то есть облегчающийся по мере полета, использующий для топлива металлические конструкции.

Аналогичную цель преследует и способ создания «составных ракет», предложенный еще Циолковским. Представьте себе поставленные столбиком два или три ракетных двигателя. Они связаны между собой. При подъеме с Земли запускается нижний двигатель. Выработав свое горючее и развив известную скорость полета, этот первый двигатель выключается и отпадает, отделяется от ракеты. Ракета стала легче. Она уже успела подняться на значительную высоту и набрать какую-то скорость. Тут ее подхватывает и разгоняет с еще большей скоростью второй двигатель, и так далее.

Считается, что более трех двигателей нецелесообразно связывать в одну ракету.

Для межпланетных полетов составные ракеты не очень удобны. Было бы, вероятно, удобнее использовать другое предложение Циолковского — создавать искусственны спутники Земли — своеобразные летающие вокзалы для отправления межпланетных снарядов.

Подготовка к созданию таких «вокзалов» уже приняла практический характер. В 1957 году, как объявили американцы, ими с Земли запускается первый искусственный спутник. Это пока будет небольшой шар весом в 10 килограммов, с диаметром около 60 сантиметров. Половина его веса придется на металлическую оболочку, а вторая половина — на приборы, которые будут регистрировать данные о верхних слоях атмосферы. Все результаты измерений будут поступать на Землю в виде радиосигналов.

Спутник поднимется с Земли с помощью трехступенчатой ракеты, то есть с тремя отпадающими двигателями. Когда отделится последний двигатель, спутник будет обращаться вокруг Земли по эллиптической орбите на расстояниях от 320 до 1300 километров от Земли. В течение суток спутник будет совершать примерно 16 оборотов вокруг земного шара.

Итак, практическое осуществление межпланетных полетов сейчас зависит главным образом от того, как скоро удастся найти такое «концентрированное» топливо, которое занимало бы мало места и могло бы обеспечить энергией весь космический рейс.

С неба на землю

До сих пор, говоря о ракетном двигателе, вспоминая работы Кибальчича и Циолковского, мы связывали этот двигатель с кораблем межпланетных путешествий.

Попробуем спуститься теперь от неизведанных и далеких космических просторов на нашу знакомую и близкую Землю. Посмотрим, нельзя ли и для менее грандиозных задач использовать реактивный двигатель.

…В июне 1941 года гитлеровские полчища двинулись на мирные советские города и села. Накопив много технических средств войны — танков, самолетов, артиллерии, — фашисты быстро продвигались вглубь Советского Союза, сея вокруг смерть и опустошение. В августе 1941 года гитлеровские дивизии уже были под городом Смоленском… Еще рывок, — думали фашистские генералы, — и вдоль улиц Москвы прогарцует белый конь победителя.

Но советский народ сумел мобилизовать свои силы, с каждым днем всё увеличивая и увеличивая мощь отпора.

Первый неожиданный «сюрприз» Советская Армия преподнесла фашистам как раз под Смоленском…

Однажды ничего не подозревавшие передовые части врага, полные уверенности в легкой победе, вдруг оказались засыпанными небывалым количеством смертоносных снарядов. Это были удивительные, невиданные снаряды: с огромной скоростью они прилетали откуда-то с неба, волоча за собой по небу огненный хвост. Их было так много, ложились они так часто, что огромная площадь, на которую они падали, буквально выжигалась. Фашисты оцепенели. Солдаты, орудия, танки — всё попадало под огневой ураган. Но не только сила огня испугала вражеских солдат — их испугало загадочное происхождение и странный вид снарядов…

Так гитлеровцы впервые познакомились с новым советским оружием — реактивной артиллерией, с русскими «катюшами», как любовно были названы советскими бойцами эти гвардейские реактивные минометы.

Гвардейские реактивные минометы в действии.

Вы, наверно, видели — ну, хотя бы в кино или на картинке — эти «катюши». На обычной грузовой автомашине ставятся несколько направляющих лотков — это реактивные «пушки». Они легкие, многоствольные. Быстро переезжая с места на место, посылая сразу несколько снарядов, они представляют собой весьма опасное оружие для врага.

Этой подвижностью и легкостью они обязаны снарядам, которые движутся не от силы порохового взрыва, как в обычной пушке, а от порохового реактивного двигателя, помещающегося в каждом снаряде.

Вот вам и пример наземного использования реактивного двигателя.

Другой пример — салютная или сигнальная ракета, о которой мы уже говорили.

Приведем еще несколько примеров.

Наши ученые много работают над исследованием верхних слоев атмосферы — стратосферы. Туда поднимались советские стратостаты. Но еще выше стратостатов могут подняться специальные ракеты. Их поднимает жидкостно-реактивный двигатель. Они летят без людей, с автоматически действующими записывающими приборами, и, вернувшись на землю, доставляют записи ученым.

Подготовка к старту стратосферной ракеты.

Взлететь в воздух самолету не так-то уж легко, как это кажется. Ему приходится делать большие разбеги по земле. Так, обычному истребителю требуется дорожка для разбега в полкилометра, среднему бомбардировщику — в километр, тяжелой «летающей крепости» и нескольких километров бывает мало. Представляете себе, какие огромные площади должен занимать аэродром, предназначенный для таких самолетов! А какие трудности возникают в боевой обстановке при подготовке этих огромных площадей! Порой их вообще немыслимо разыскать.

Вот для того, чтобы ускорить подъем самолета, приходит на помощь ракетный двигатель-ускоритель. К самолету прикрепляются пороховые или жидкостные ракеты. По сигналу старта они поджигаются и за несколько секунд развивают большую дополнительную тягу, помогающую самолету значительно быстрее набрать взлетную скорость. Как только самолет поднимется в воздух, отработавшие ракеты отцепляются и падают на парашютах вниз. Затем их можно зарядить и использовать для нового разбега.

А можно ли использовать реактивный двигатель для наземного транспорта, для автомобилей например?

Уже давно, в 1686 году, был предложен паровой автомобиль. Считают, что автором этого проекта был знаменитый английский ученый Исаак Ньютон.

Автомобиль этот должен был двигаться за счет силы реакции струи пара, которая непрерывно вылетала из парового котла.

Паровой автомобиль, предложенный Ньютоном.

В 1886 году русский изобретатель Гешвенд предлагал использовать реактивную силу пара для движения железнодорожных поездов.

В середине прошлого века по каналам Мариинской системы ходили реактивные суда. Вода накачивалась в цистерны носовой части и выливалась наружу через трубы кормовой части.

Сила реакции вытекающей струи толкала судно. Судам этим дали очень меткое прозвище — «водоплевы». Заметим, что и в наше время такие реактивные суда строят и они используются для плавания по мелким рекам. Дело в том, что для винтовых судов требуется глубокая осадка, чтобы весь винт был покрыт водой, а реактивные суда могут плавать и при малых погружениях. Правда, следует отметить, что здесь реактивный принцип используется лишь для создания силы тяги судна; необходимая же энергия получается от теплового двигателя, вращающего насос, нагнетающий воду.

В 1928 году немецкий автомобильный фабрикант Опель провел испытание своего автомобиля, к которому с помощью простых деревянных приспособлений были прикреплены две пороховые ракеты. После воспламенения ракет автомобиль рванулся с места, прошел со скоростью 5–6 километров в час 150 метров и остановился. Позднее Опель испытал автомобиль с 24 ракетами. При этом скорость достигала 120 километров в час, но при рывке водитель испытывал болезненные ощущения. Тот же Опель пытался применить пороховые ракеты и для железнодорожных дрезин и для мотолодок. Тут не обошлось дело без катастроф. Одна из дрезин сошла с рельсов и была разрушена, а лодка от взрыва затонула, и Опелю пришлось спасаться вплавь.

В том же 1928 году два латвийских студента приспособили ракеты к своим велосипедам и проехали около полукилометра.

Реактивный велосипед.

Из всех этих опытов выяснилось, что при скоростях до 200 километров в час полезно используется только 2–3 % энергии ракет, то есть для таких условий это был самый невыгодный двигатель.

С тех пор помыслы инженеров и изобретателей обратились к той области использования реактивного двигателя, где можно достигать больших скоростей, — к авиации.

И снова в небо

И, следуя далее по пути продвижения в жизнь реактивного двигателя, мы вынуждены вновь обратить свое внимание к небу…

Уж если говорить о больших скоростях, так вот там-то им и место. И вовсе не обязательно летать в космическую, безбрежную даль — к Луне, к звездам. Можно и даже нужно летать с большими скоростями по воздуху над землей, так сказать в ближнем небе.

Мы знаем, что самым скорым видом сообщения стал самолет. До войны самолеты оборудовались мощными поршневыми двигателями внутреннего сгорания и могли уже развивать огромные скорости полета. В 1934 году рекорд скорости был равен 709 километрам в час. Такой самолет от Ленинграда до Москвы мог пролететь за 56 минут, в то время как курьерский поезд этот же путь проходит за 10–12 часов, а автомобиль, мчащийся на предельной скорости, за 6–7 часов.

В 1939 году рекорд авиационных скоростей еще немного повысился, он стал равен 755 километрам в час. Дальнейшее увеличение скорости самолета с поршневым двигателем, как показали расчеты, сопряжено с весьма значительным увеличением мощности такого двигателя. А вместе с ростом мощности, как известно, возрастают и размеры и вес двигателя, и установка его на самолете становится немыслимой.

Большие же мощности необходимы, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, очень сильное на больших скоростях. Надо заметить, что и винт, которым самолет врезается в воздух и тем самым совершает движение, на очень больших скоростях работает плохо и иногда просто замедляет движение.

Вот почему авиаконструкторы решили попытаться достичь больших скоростей с помощью другого двигателя — реактивного, который, как нам уже известно, именно в этом случае может оказаться наиболее удачным, тем более, что для движения реактивного самолета не потребуется применения винта.

«Неужели конструкторы решили поставить на самолет пороховой ракетный двигатель?» — спросите вы.

Конечно, нет. Мы же знаем, что для длительных полетов пороховой двигатель не пригоден.

«Ну, тогда, значит, жидкостно-реактивный?»

Да, но не совсем такой, как для межпланетных ракет. Вы помните, Циолковский предложил сжигать жидкое топливо в атмосфере чистого кислорода. И топливо и кислород должны при этом храниться в баках на борту ракетоплана. Но какой же смысл хранить кислород в баках самолета, если самолет всё время летит по воздуху, а в воздухе содержится кислород? За атмосферой Земли, где-нибудь в межпланетном пространстве, там дело другое, там кислорода взять негде. А тут — пусть двигатель «дышит» воздухом, берет кислород из-за борта. Зато в баки можно запасти побольше топлива и пролетать большие расстояния без заправки горючим.

Так появилась идея применения воздушно-реактивного двигателя.

Простейший воздушно-реактивный двигатель может быть построен сравнительно легко.

Посмотрите его схему. Он похож на яйцо, у которого аккуратно срезали обе верхушки.

Схема воздушно-реактивного двигателя.

Вот если самолет с такой трубкой заставить лететь, то через переднее отверстие внутрь трубки начнет врываться воздух. Здесь в воздушный поток будет впрыскиваться через форсунки жидкое топливо и, подожженное электрической искрой, сгорать. От выделяемого тепла поднимется температура, а значит, — и давление газов. Газы будут стремиться вырваться через оба отверстия — переднее и заднее, но спереди они столкнутся с большим противодавлением набегающего воздушного потока, а сзади сопротивление окажется совсем малым.

Тогда всё содержимое камеры сгорания и устремится назад, толкая трубку-двигатель и весь самолет вперед. Описанный двигатель называется прямоточным воздушно-реактивным двигателем.

Но вы уже, очевидно, сами догадались, что такой двигатель обладает большим недостатком, — для того, чтобы он заработал, его надо как бы протащить сначала с большой скоростью по воздуху, то есть нужно на самолет ставить еще специальные разгоночные двигатели. Кроме того, этот двигатель для скоростей обычных полетов и неэкономичен. Вспомним недостаток первого двигателя внутреннего сгорания — двигателя Ленуара. Он обладал низким КПД потому, в частности, что работал без предварительного сжатия рабочего заряда. Подобное явление имеет место и в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Если скорость полета невелика, давление воздуха в камере сгорания оказывается тоже небольшим и тепло, выделяющееся при сгорании топлива, используется плохо.

Лишь на больших скоростях, близких к скорости звука, степень сжатия воздуха становится достаточной, чтобы работа двигателя оказалась экономичной.

Нам известно, что в дизеле термический коэффициент полезного действия выше, чем в карбюраторном двигателе. Там удается тот же весовой заряд воздуха предварительно сжать посильнее, отчего к моменту впрыска уже и температура в камере оказывается выше, чем в карбюраторном двигателе. И, когда сгорает порция топлива в цилиндре дизеля, там температура поднимается выше, чем в цилиндре карбюраторного двигателя, а значит, — и давление газов на поршень оказывается большим.

Вот и для воздушно-реактивного двигателя было бы полезным воздух подавать под давлением, сжатым, — тогда и по весовому количеству его было бы достаточно, и по начальной температуре процесс сгорания был бы экономичней.

Представим, например, себе камеру сгорания не прямоточного двигателя, а другого, имеющего специальный компрессор. В камеру всё время нагнетается компрессором воздух. Там оказывается повышенное давление, и туда впрыскивается топливо. Горячие газы с большой скоростью вылетают в трубу, создавая реактивное усилие.

Но… не кажется ли вам, что здесь что-то уже знакомо? Да и в самом деле, ведь если на пути струи газа поставить колесо с лопатками, мы получим уже знакомый нам двигатель — газовую турбину.

Вот мы и пришли к неожиданному выводу, что реактивный двигатель и газовая турбина имеют один и тот же принцип сгорания топлива и можно создать двигатель комбинированный — газотурбореактивный.

Именно по такому пути и пошли конструкторы современных реактивных самолетов.

Воздух у реактивных самолетов поступает сначала в компрессор. Но компрессор здесь не обычный, поршневой, а центробежный. В поршневом компрессоре воздух сжимается поршнем и затем выталкивается через клапаны. Здесь же воздух сжимается, отбрасываемый к стенкам корпуса лопатками, которые закреплены на вращающемся роторе. Вращать ротор приходится с помощью посторонней энергии.

Эта «посторонняя» энергия, необходимая для вращения компрессора, и получается с помощью газотурбинного колеса. Действительно, выйдя из компрессора, воздух попадает в камеры сгорания (их несколько) уже под повышенным давлением. Сюда через особые форсунки подается жидкое топливо. Происходит сгорание. Горячие газы с большой скоростью устремляются на колесо газовой турбины, отдают ей часть своей энергии, затем устремляются в реактивное сопло и, здесь еще больше увеличив свою скорость, вылетают наружу. Самолет с таким двигателем винта не имеет и летит только за счет реактивного действия газовой струи. Турбина же нужна здесь только для того, чтобы вращать компрессор.

Но как же такой двигатель запустить? Неужто приходится разгонять самолет ускорительными ракетами? Нет, если имеется компрессор, можно заставить двигатель работать не только в полете, но и на месте. Для этого надо иметь на борту самолета небольшой поршневой двигатель внутреннего сгорания или электромотор, вал которых следует связать с валом компрессора. И, как только заработает вспомогательный двигатель, как только начнет вращаться ротор компрессора, воздух начнет подаваться в камеры сгорания. Остается включить топливо и поджечь его. Дальше всё пойдет, как полагается, — заработает газовая турбина, появится реактивная сила, и вспомогательный двигатель можно отключать.

Но реактивный самолетный двигатель, как мы хорошо знаем, становится выгодным только на больших скоростях полета. Не всегда же приходится развивать самолету скорости, близкие к скоростям звука. Ведь для обычных полетов можно обойтись и меньшими скоростями.

Но тогда надо, отказавшись от реактивного, для малых скоростей применять другой тепловой двигатель, с винтом, как это и раньше практиковалось.

Да, но раньше таким двигателем был двигатель поршневой, сначала бензиновый, а потом дизель, а теперь, коль скоро всё равно авиация использует газовую турбину, — нельзя ли ее-то и нагрузить винтом?

Конечно, можно.

И вот появился новый современный авиационный двигатель — газотурбореактивный винтовой.

Он очень напоминает только что нами рассмотренный газотурбореактивный двигатель. Разница лишь в том, что на одном валу с турбиной теперь крепится не только ротор компрессора, но и винт самолета. Кроме того, и сама турбина здесь отличается тем, что она забирает от газового потока больше энергии, — так уж рассчитано и изготовлено ее колесо с лопатками.

Такой двигатель очень удобен для самолета. Он обладает малым весом, не требует высокосортного горючего, развивает большую мощность — до 6–7 тысяч лошадиных сил и, главное, на малых скоростях экономично работает с винтом, а на больших можно винт остановить, и двигатель, став просто реактивным, начнет опять экономично работать.

Авиационный турбореактивный двигатель. В верхней части рисунка изображен двигатель с вырезанными стенками. Внизу — возможная схема его расположения на самолете.

Знакомясь с газовой турбиной, мы выяснили, что для лучшего использования тепла перед турбиной следует поддерживать высокую температуру газов. В авиационных турбинах, от которых не требуется такой же долгой жизни, как от стационарных турбин, эту температуру сейчас доводят до 750–900 °C.

А для очень больших скоростей полета выгодно применять прямоточный двигатель, где турбины нет и, следовательно, допустимая температура перед реактивным соплом практически не ограничена.

Так вошел в жизнь и уверенно продолжает шествовать новый авиационный газотурбореактивный двигатель.

Сейчас уже из многих областей авиации полностью вытеснен поршневой мотор, а скорости, которые достигаются реактивными самолетами, почти вдвое выше рекордных скоростей винтовых самолетов. Эти новые скорости приблизились к скорости звука, которая равна 1228 километрам в час, а в некоторых случаях ее превзошли. Вот и считайте, сколько займет времени перелет из Ленинграда в Москву на таком самолете!

До самого последнего времени реактивными двигателями снабжались только военные самолеты. Делались попытки строить и крупные реактивные пассажирские самолеты.

Так, в Англии был испытан реактивный пассажирский самолет «Комет-4». Однако первый опыт окончился неудачно. Конструкция этого многомоторного самолета оказалась ненадежной, самолет потерпел аварию.

Но вот, в пятницу 23 марта 1956 года на Лондонском аэродроме сделал посадку огромный самолет-красавец, рассчитанный на перевозку пятидесяти пассажиров. Это был советский реактивный пассажирский самолет «ТУ-104».

Советский пассажирский реактивный самолет «ТУ-104».

Появление такого самолета в Лондоне произвело сильное впечатление. Английская газета «Дейли Мейл» писала: «Это самолет, который предоставляет России ведущее место в области гражданской авиации… Что касается нас, то здесь пассажирские реактивные самолеты не появятся ранее 1959 года, а у американцев, вероятно, — ранее 1960 года или даже позже».

Так силами советских авиаконструкторов одержана еще одна победа — создан первый в мире пассажирский реактивный самолет. «ТУ-104» имеет два двигателя, расположенные в крыльях. Самолет может лететь со скоростью 800 километров в час на высоте 10 000 километров. Расстояние от Москвы до Лондона он преодолевает всего за 3–3,5 часа.

Наша промышленность уже приступила к серийному выпуску таких самолетов, которые помогут приблизить к Москве самые дальние углы необъятной советской страны. Такой самолет сможет пролететь без посадки 3000–3200 километров и за 10 часов преодолеть расстояние от Москвы до Хабаровска.

Так реактивный двигатель нашел свое прочное место в авиации, являясь двигателем, предназначенным для больших скоростей.

Страшные птицы над Лондоном

Прежде чем закончить рассказ о реактивных двигателях, мы позволим себе обратиться еще к одной их разновидности.

Такой двигатель можно легко изготовить, — надо только иметь жаростойкую сталь, и ребята из Ленинградского Дворца пионеров уже давно такие двигатели строят.

Речь идет о пульсирующем воздушно-реактивном двигателе.

Лежит стальная трубка, похожая на ламповое стекло. Слева, вблизи входного окна, внутри трубы сделана перегородка с отверстиями. Отверстия эти закрыты клапанами, которые прижимаются пружинами. Правее перегородки помещается камера сгорания — туда впрыскивается жидкое топливо. Еще правее начинается реактивное сопло — узкий канал, где газы приобретают нужное направление и скорость.

Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя.

Запустим двигатель. Для этого впрыснем в камеру топливо и одновременно пошлем электрическую искру. Топливо вспыхнет, в камере поднимется температура и давление газов. Влево газам идти некуда, — там перегородка. Тогда газовый поток устремится вправо через реактивное сопло. Но, вылетая с большой скоростью, газ создает на некоторое мгновение разрежение в камере сгорания, — там давление окажется ниже атмосферного. Тогда под влиянием наружного давления в перегородке откроются клапаны, и свежая порция воздуха войдет в камеру сгорания. Теперь снова впрыснем топливо, и так далее. Двигатель будет работать толчками, как бы пульсировать.

С таким двигателем можно построить модель реактивного самолета.

Но не только модель!

…В ночь с 12 на 13 июня 1944 года над Лондоном появились невиданные, страшные птицы. Распластав неподвижные крылья, исторгая огонь и гром, они падали с неба на дома, улицы, скверы… Их падение сопровождалось взрывами…

Наутро лондонцы обнаружили страшные результаты налета смертоносных птиц: 6000 мирных городских жителей было убито, 20 000 ранено, 25 000 зданий было разрушено до основания, многие тысячи зданий повреждены.

Шла жестокая война, лондонцы знали не одну бомбежку. Но эти таинственные птицы, принесшие столько разрушений и человеческих страданий, раньше никогда и нигде не появлялись.

Так состоялось знакомство с «новым секретным оружием» фашистов, которое широко рекламировал Гитлер, пытаясь запугать противника. Страшными птицами, сеющими смерть, были реактивные самолеты-снаряды, названные немцами «ФАУ-1».

Посмотрите на эту «птицу».

Реактивный самолет-снаряд «ФАУ-1».

Два больших крыла (размах около 5 метров), длинный сигарообразный корпус. Передняя половина корпуса занята взрывчатым веществом снаряда, середина занята баком для жидкого горючего и баллонами сжатого воздуха. На самом хвосте, над рулем, укреплена труба реактивного двигателя. Реактивный двигатель работает по принципу пульсирующего.

Такой самолет-снаряд пролетал со скоростью около 600 километров в час расстояние 240–280 километров и при падении взрывался.

После той памятной ночи немцы стали ежедневно посылать до сотни, а то и более, таких снарядов на Лондон. У Гитлера не хватало бомбардировщиков, — они нужны были ему на восточном фронте. Вот и попытались фашисты использовать самолеты-снаряды, которым при взлете задавалось направление, и они летели, управляемые автоматами.

Но, применив такое оружие, Гитлер еще раз доказал всю звериную, человеконенавистническую сущность фашизма. Ведь таким слепым автоматом-снарядом нельзя было вести прицельный обстрел. Страдали женщины, старики и дети, страдали городские жители, занятые далеко не военными делами…