РАКЕТЫ ЦИОЛКОВСКОГО - К. Э. Циолковский, его вклад в развитие ракетостроения
В конце XIX века Циолковский возродил научно-технические изыскания по ракетной технике в России и в дальнейшем предложил большое число оригинальных схем конструкций ракет. Существенно новым шагом в развитии ракетной техники были разработанные Циолковским схемы ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий с реактивными двигателями на жидком топливе. До работ Циолковского исследовались и предлагались для решения различных задач ракеты с пороховыми реактивными двигателями.
Применение жидкого топлива (горючего и окислителя) позволяет дать весьма рациональную конструкцию жидкостного реактивного двигателя с тонкими стенками, охлаждаемыми горючим (или окислителем), легкого и надежного в работе. Для ракет больших размеров такое решение было единственно приемлемым.
Ракета 1903 года. Первый тип ракеты дальнего действия был описан Циолковским в его работе "Исследование мировых пространств реактивными приборами", опубликованной в 1903 году. Ракета представляет собой продолговатую металлическую камеру, очень похожую по форме на дирижабль или большое веретено. "Представим себе, -- пишет Циолковский, -- такой снаряд: продолговатая металлическая камера (формы наименьшего, сопротивления), снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты, миазмов и других животных выделений, предназначенная не только для хранения разных физических приборов, но и для человека, управляющего камерой... Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и... равномерно взрываясь в определенном для того месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам вроде рупора или духового музыкального инструмента... В одном узком конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ: тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом расширенном ее конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью"110 К. Э. Циолковский. Собрание сочинений. Изд. АН СССР, 1954, том II, стр. 73--74.0.
Для управления полетом ракеты в верхних разреженных слоях атмосферы Циолковский рекомендовал два способа: графитовые рули, помещаемые в струе газов вблизи среза сопла реактивного двигателя, или поворачивание конца раструба (поворачивание сопла двигателя). Оба приема позволяют отклонять направление струи горячих газов от оси ракеты и создавать силу, перпендикулярную направлению полета (управляющую силу). Следует отметить, что указанные предложения Циолковского нашли широкое применение и развитие в современной ракетной технике. Все известные лам из иностранной печати жидкостные реактивные двигатели сконструированы с принудительным охлаждением стенок камеры и сопла одним из компонентов топлива. Такое охлаждение позволяет делать стенки достаточно тонкими и выдерживающими высокие температуры (до 3500--4000°) в течение нескольких минут. Без охлаждения такие камеры прогорают за 2--3 секунды.
Газовые рули, предложенные Циолковским, применяются для управления полетом ракет различных классов за рубежом. Если реактивная сила, развиваемая двигателем, превосходит силу тяжести ракеты в 1,5--3 раза, то в первые секунды полета, когда скорость ракеты невелика, воздушные рули будут неэффективны даже в плотных слоях атмосферы и правильный полет ракеты обеспечивают при помощи газовых рулей. Обычно в струю реактивного. двигателя помещают четыре графитовых руля, располагаемых в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Отклонение одной пары позволяет изменять направление полета в вертикальной плоскости, а отклонение второй пары изменяет направление полета в горизонтальной плоскости. Следовательно, действие газовых рулей аналогично действию рулей высоты и направления у самолета или планера, меняющих угол тангажа и курса при полете. Чтобы ракета не вращалась вокруг собственной оси, одна пара газовых рулей может отклоняться в разные стороны; в этом случае их действие аналогично действию элеронов у самолета.
Газовые рули, помещаемые в струе горячих газов, уменьшают реактивную силу, поэтому при сравнительно большом времени работы реактивного двигателя (более 2--3 минут) иногда оказывается более выгодным или поворачивать соответствующим автоматом весь двигатель, или ставить на ракету дополнительные (меньшего размера) поворачивающиеся двигатели, которые и служат для управления полетом ракеты. На рис. 7 показаны три случая полета шара с поворачивающимся реактивным двигателем. Рис. 7, А Соответствует прямолинейному горизонтальному полету шара; струя выбрасываемых частиц параллельна горизонту, и реактивная сила Ф направлена также горизонтально. Рис. 7, Б Соответствует отклонению струи (оси двигателя) вверх; реактивная сила Ф отклонится вниз, и траектория центра тяжести шара начнет также отклоняться вниз. Рис. 7, В Соответствует отклонению струи (оси двигателя) вниз; реактивная сила будет отклонена вверх, и траектория центра тяжести шара будет также отклоняться вверх.
Ракета 1914 года111 К. Э. Циолковский. Собрание сочинений, том II, стр. 149--150.1. Внешние очертания ракеты 1914 года близки к очертаниям ракеты 1903 года, но устройство взрывной трубы (т. е. сопла) реактивного двигателя усложнено. В качестве горючего Циолковский рекомендует использовать углеводороды (например, керосин, бензин). Вот как описывается устройство этой ракеты (рис. 8)112 См. стр. 15 реферата.2: "Левая задняя кормовая часть ракеты состоит из двух камер, разделенных не обозначенной на чертеже перегородкой. Первая камера содержит жидкий, свободно
Испаряющийся кислород. Он имеет очень низкую температуру и окружает часть взрывной трубы и другие детали, подверженные высокой температуре. Другое отделение содержит углеводороды в жидком виде. Две черные точки внизу (почти посредине) означают поперечное сечение труб, доставляющих взрывной трубе взрывчатые материалы. От устья взрывной трубы (см. кругом двух точек) отходят две ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в устье, подобно инжектору Жиффара или пароструйному насосу". "...Взрывная труба делает несколько оборотов вдоль ракеты параллельно ее продольной оси и затем несколько оборотов перпендикулярно к этой оси. Цель -- уменьшить вертлявость ракеты или облегчить ее управляемость"113 Позднее К. Э. Циолковский отказался от такой конструкции сопла ракеты.3.
В этой схеме ракеты внешняя оболочка корпуса может охлаждаться жидким кислородом. Циолковский хорошо понимал трудность возвращения ракеты из космического пространства на землю, имея в виду, что при больших скоростях полета в плотных слоях атмосферы ракета может сгореть или разрушиться подобно метеориту.
В носовой части ракеты Циолковский располагает: запас газов, необходимых для дыхания и поддержания нормальной жизнедеятельности пассажиров; приспособления для сохранения живых существ от больших перегрузок, возникающих при ускоренном (или замедленном) движении ракеты; приспособления для управления полетом; запасы пищи и воды; вещества, поглощающие углекислый газ, миазмы и вообще все вредные продукты дыхания.
Очень интересна идея Циолковского о предохранении живых существ и человека от больших перегрузок ("усиленной тяжести" -- по терминологии Циолковского) при помощи погружения их в жидкость равной плотности. Впервые эта идея встречается в работе Циолковского 1891 года. Вот краткое описание простого опыта, убеждающего нас в правильности предложения Циолковского для однородных тел (тел одинаковой плотности). Возьмем 'нежную восковую фигуру, которая едва выдерживает собственный вес. Нальем в крепкий сосуд жидкость такой же плотности, как и воск, и погрузим в эту жидкость фигуру. Теперь посредством центробежной машины вызовем перегрузки, превышающие силу тяжести во много раз. Сосуд, если недостаточна крепок, может разрушиться, но восковая фигура в жидкости будет сохраняться целой. "Природа давно пользуется этим приемом,--пишет Циолковский, -- погружая зародыш животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений. Человек же пока мало использовал эту мысль".
Следует отметить, что для тел, плотность которых различна (тела неоднородные), влияние перегрузки все равно будет проявляться и при погружении тела в жидкость. Так, если в восковую фигуру заделать свинцовые дробинки, то при больших перегрузках все они вылезут из восковой фигуры в жидкость. Но, по-видимому, несомненно, что в жидкости человек сможет выдержать большие перегрузки, чем, например, в специальном кресле.
Ракета 1915 года. В книжке Перельмана "Межпланетные путешествия", изданной в 1915 году в Петрограде, помещены чертеж и описание ракеты, выполненные Циолковским.
"Труба А и камера В из прочного тугоплавкого металла покрыты внутри еще более тугоплавким материалом, например вольфрамом. С и Д -- насосы, накачивающие жидкий кислород и водород в камеру взрывания. Ракета имеет еще вторую тугоплавкую наружную оболочку. Между обеими оболочками есть промежуток, в который устремляется испаряющийся жидкий кислород в виде очень холодного газа, он препятствует чрезмерному нагреванию обеих оболочек от трения при быстром движении ракеты в атмосфере. Жидкий кислород и такой же водород разделены друг от друга непроницаемой оболочкой (не изображенной на рис. 9). Е -- труба, отводящая испаренный холодный кислород в промежуток между двумя оболочками, он вытекает наружу через отверстие К. У отверстия трубы имеется (не изображенный на рис. 9) руль из двух взаимно-перпендикулярных плоскостей для управления ракетой. Вырывающиеся разреженные и охлажденные газы благодаря этим рулям изменяют направление своего движения и, таким образом, поворачивают ракету"114 Н. А. Рынин. К. Э. Циолковский, его жизнь, работы и ракеты. .1931, стр. 41.4.
Составные ракеты. В работах Циолковского, посвященных составным ракетам, или ракетным поездам, не дано чертежей с общими видами конструкций, но по приведенным в работах описаниям можно утверждать, что Циолковский предлагал к осуществлению два типа ракетных поездов. Первый тип поезда подобен железнодорожному, когда паровоз толкает состав сзади. Представим себе четыре ракеты, сцепленные последовательно одна с другой (рис. 10). Такой поезд толкается сначала нижней--хвостовой ракетой (работает двигатель первой ступени). После использования запасов ее топлива ракета отцепляется и падает на землю. Далее начинает работать двигатель второй ракеты, которая для поезда из оставшихся трех ракет является хвостовой толкающей. После полного использования топлива второй ракеты она также отцепляется и т. д. Последняя, четвертая, ракета начинает использовать имеющийся в ней запас топлива, уже имея достаточно высокую скорость, полученную от работы двигателей первых трех ступеней.
Циолковский доказал расчетами наиболее выгодное распределение весов отдельных ракет, входящих в поезд.
Второй тип составной ракеты, предложенной Циолковским в 1935 году, назван им эскадрильей ракет. Представьте себе, что в полет отправилось 8 ракет, скрепленных параллельно, как скрепляются бревна плота на реке. При старте все восемь реактивных двигателей начинают работать одновременно. Когда каждая из восьми ракет израсходует половину запаса топлива, тогда 4 ракеты (например, две справа и две слева) перельют свой неизрасходованный запас топлива в полупустые емкости остающихся 4 ракет (рис. 11) и отделятся от эскадрильи. Дальнейший полет продолжают 4 ракеты с полностью заправленными баками. Когда оставшиеся 4 ракеты израсходуют каждая половину имеющегося запаса топлива, тогда 2 ракеты (одна справа и одна слева) перельют свое топливо в остающиеся две ракеты и отделятся от эскадрильи. Полет продолжат 2 ракеты. Израсходовав половину своего топлива, одна из ракет эскадрильи перельет оставшуюся половину в ракету, предназначенную для достижения цели путешествия. Преимущество эскадрильи состоит в том, что все ракеты одинаковы. Переливание компонентов топлива в полете является хотя и трудной, но вполне технически разрешимой задачей.
Создание разумной конструкции ракетного поезда является одной из наиболее актуальных проблем в настоящее время.
В последние годы своей жизни К. Э. Циолковский много работал над созданием Теории полета реактивных самолетов его Статье "Реактивный аэроплан" (1930 г.) подробно выясняются преимущества и недостатки реактивного самолета по сравнению с самолетом, снабженным воздушным винтом. Указывая на большие секундные расходы горючего в реактивных двигателях как на один из самых существенных недостатков, Циолковский пишет: "...Наш реактивный аэроплан убыточнее обыкновенного в пять раз. Но вот он летит вдвое скорее там, где плотность атмосферы в 4 раза меньше. Тут он будет убыточнее только в 2,5 раза. Еще выше, где воздух в 25 раз реже, он летит в пять раз скорее и уже использует энергию так же успешно, как винтовой самолет. На высоте, где среда в 100 раз реже, его скорость в 10 раз больше и Он будет выгоднее обыкновенного аэроплана в 2 раза".
Эту статью Циолковский заканчивает замечательными словами, показывающими глубокое понимание законов техники. "За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных, или аэропланов стратосферы". Следует отметить, что эти строки написаны за 10 лет до того, как первый реактивный самолет, построенный в Советском Союзе, поднялся в воздух.
В статьях "Ракетоплан" и "Стратоплан полуреактивный" Циолковский дает теорию движения самолета с жидкостным реактивным двигателем и подробно развивает идею турбокомпрессорного винтового реактивного самолета.
Похожие статьи
-
РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ - К. Э. Циолковский, его вклад в развитие ракетостроения
"Практические дела делаются только исходя из общих начал, только при знакомстве с абстрактами, до них относящимися". (Д. И. Менделеев) Среди великих...
-
ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКЕ - К. Э. Циолковский, его вклад в развитие ракетостроения
"Я учился, творя..." (К. Э . Циолковский) Константин Эдуардович Циолковский - выдающийся русский ученый, исследователь огромной трудоспособности и...
-
В наше время полет космического корабля считается обыденным явлением. И даже странным порою кажется, что еще сто лет назад люди не могли и мечтать о...
-
Жидкостные ракетные ступени - Ракеты прошлого и будущего
Наиболее эффективные ракеты работают на жидком топливе, потому что химическая энергия жидких компонентов больше, чем твердых, а продукты их сгорания...
-
Первая ракета К. Э. Циолковского - Первый полет в космос: как это было
Наконец, в начале XX века исследователи обратили внимание на ракетный двигатель, принцип действия которого был известен человечеству еще с рубежа нашей...
-
Современные ракеты и их устройство - Первый полет в космос: как это было
Запуск космических аппаратов на околоземные орбиты и осуществление полетов к Луне, планетам и другим телам Солнечной системы стало возможно после...
-
Общее представление о ракетах - Ракеты прошлого и будущего
Ракета - летательный аппарат, движущийся вследствие отбрасывания высокоскоростных горячих газов, создаваемых реактивным двигателем. Обычно энергия для...
-
Вклад украинских ученых в развитие космонавтики - История развития космонавтики
Украина имеет полувековой опыт космической деятельности. Украина будет активным участником реализации космической политики Европы. Так, украинские...
-
История - Ракеты прошлого и будущего
В соответствии со свидетельством древнеримского писателя Авла Геллия (англ. Aulus Gellius) одно из первых реактивных устройств использовалось более 2000...
-
Американский гений - История развития космонавтики
За рубежом проблемой реактивного движения одним из первых занялся американский ученый Роберт Хитчингс Годдард34. Годдард в 1907 году пишет статью "О...
-
Советский гений - История развития космонавтики
Вернемся опять в прошлое, в СССР. 12 января 1907 года в г. Житомире в семье учителя русской словесности П. Я. Королева рождается сын - Сергей Павлович...
-
Ракетные двигатели - Ракеты прошлого и будущего
По третьему закону механики, тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. В ракетном двигателе этот закон,...
-
Поняття космонавтики. Історія створення ракет - Космонавтика і Україна
Космонавтика (грец. кьумпт -- Всесвіт та нбхфйкб -- все, що стосується плавання), Астронавтика (грец. буфспн -- зірка), або зореплавання -- наука про...
-
К. Э. Циолковский - Первый полет человека в космос
" Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель... Будет иной способ передвижения в космосе,- приму...
-
Космічна ракета - Космічні літальні апарати
Космічна ракета - багатоступінчаста ракета для виведення космічних апаратів (штучних супутників Землі, АС, космічних кораблів) на орбіту супутника Землі...
-
К. Э. Циолковский - Полеты человека в космос
"Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель... Будет иной способ передвижения в космосе,- приму и...
-
К. Э. Циолковский - Освоение космоса
"Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель... Будет иной способ передвижения в космосе,- приму и...
-
Перспективы в будущем - Ракеты прошлого и будущего
До конца 20 в. сгорание топлива оставалось основным источником энергии для реактивного движения. Хотя с 1920-х годов было предложено немало перспективных...
-
Расчеты силы тяги, скорости - Ракеты прошлого и будущего
Удельный импульс - характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу (обычно массовому, но...
-
Истоки российской космонавтики - Прорыв России в Космос
Выход человечества в космос - закономерный процесс исторического развития: в нем отражена вечная потребность людей познавать тайны природы, искать новые...
-
Истоки российской космонавтики - История российской космонавтики
Выход человечества в космос - закономерный процесс исторического развития: в нем отражена вечная потребность людей познавать тайны природы, искать новые...
-
Истоки российской космонавтики - Юрий Алексеевич Гагарин
Выход человечества в космос - закономерный процесс исторического развития: в нем отражена вечная потребность людей познавать тайны природы, искать новые...
-
Александр Александрович Фридман и развитие астрономической картины мира
Время не только стирает детали прошлого, оно сортирует их, сошлифовывая второстепенное, выделяя главное. Ученый, знаменитый при жизни, может быть...
-
Нацистский гений - История развития космонавтики
23 марта 1912 года в Германии родился Вернер фон Браун - будущий создатель ракеты ФАУ-2. Его ракетная карьера началась с чтения научно-популярной...
-
Споры о приоритете - История развития космонавтики
Теоретики и практики ракетной техники в то время были совершенно разобщены. Это были те самые "... не связанные друг с другом исследования и опыты многих...
-
Устройство ракеты-носителя, Современные ракеты "Восток" - Первый полет в космос: как это было
Ракета-носитель Восток 1, пожалуй, одно из самых узнаваемых и знаменитых транспортное средство созданных в ХХ веке, которое открыло путь в новые миры,...
-
История развития космонавтики - История развития космонавтики
Зарождение ракетной техники Ракетный космический техника спутник Чтобы оценить вклад того или иного человека в развитие какой-то области знаний, надо...
-
Ракета С. П. Королева - Первый полет в космос: как это было
Разработка оружия, обеспечившего мирное сосуществование, была для Королева не самоцелью, а лишь условием для начала освоения космоса. Еще в 1935 Королев...
-
При полете в ионосфере основным продуктом сгорания тяжелых ракет-носителей, работающих обычно на кислородно-водородном топливе, является вода. Учитывая...
-
Космический мусор - это все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить...
-
Конструкция ракетного двигателя - Ракеты прошлого и будущего
Любой ракетный двигатель состоит из двух основных частей: камеры сгорания и сопла. Камера должна иметь достаточный объем для полного смешения, испарения...
-
Знакомство с ракетой - Ракеты прошлого и будущего
Ракеты могут быть большими и сложными летательными аппаратами, как, например, те, которые доставили на околоземную орбиту космонавта Ю. Гагарина и его...
-
Чтобы оценить изменение количества электричества i - той электризованной зоны, схематично изобразим [6] как на приведенном ниже рис. 7, где обозначено: О...
-
Дальнейшее развитие Вселенной и ее исследование - Теория Большого Взрыва
Теория большой взрыв вселенная Наша Вселенная постоянно эволюционирует, изменяется. Что же будет с нею в дальнейшем обозримом будущем? Учитывая что наша...
-
Районы падения отделяющихся частей ракет-носителей. Основными факторами негативного воздействия ракетно-космической деятельности на окружающую природную...
-
Ракеты системы Константинова - Первый полет в космос: как это было
В 1842 году начальником Ракетного заведения был назначен полковник К. И. Константинов (1818-- 1871), член Морского ученого комитета и Военно-ученого...
-
Влияние ракет на озоновый слой - Влияние пусков ракет космического назначения на экологию Земли
Озон разрушается под воздействием водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания ракетных топлив, и вследствие других процессов, происходящих под...
-
Многоступенчатые космические ракеты - Первый полет в космос: как это было
Современная многоступенчатая космическая ракета представляет собой сложное сооружение, состоящее из тысяч деталей и устройств. Разрабатываемые в...
-
Возникновение и основные этапы развития астрономии - Введение в астрономию
Астрономия является одной из древнейших наук. Первые записи астрономических наблюдений, подлинность которых несомненна, относятся к VIII в. до н. э....
-
Развитие космической техники - Первый полет человека в космос
Космический полет гагарин орбитальная станция Издревле человека волновала и манила бездонная высь неба, усыпанная мириадами звезд. Они (звезды) указывали...
РАКЕТЫ ЦИОЛКОВСКОГО - К. Э. Циолковский, его вклад в развитие ракетостроения