Ракетные двигатели

1. ЧТО ТАКОЕ ПРЯМАЯ РЕАКЦИЯ

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 двигателя[1].

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.

Фиг. 6. К теореме о движении центра тяжести.

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