Глава I
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ
1. Принцип отдачи
Всякий аппарат, движимый силой отдачи вытекающих газов, мы будем называть ракетой.
Принцип отдачи легче всего уяснить себе на основе следующих соображений.
Газ, непрерывно образующийся в ракете в результате, например, горения топлива, вытекает из камеры сгорания через соответствующее отверстие (фиг. 1). Очевидно, что для сообщения газовым молекулам скорости, равной скорости истечения, к ним должна быть приложена некоторая сила. По известному механическому закону, согласно которому всякое действие вызывает равное, но обратно направленное противодействие, должна существовать также сила, направленная в сторону, обратную той, в которую отбрасываются газы. Это и есть сила отдачи (реактивная сила), используемая в ракетах.
Здесь уместно указать на одну весьма распространенную ошибку. Часто утверждают, что реактивная сила не может развиваться ракетой в безвоздушном пространстве, поскольку здесь нет воздуха, на который 'опираются' вытекающие из ракеты газы. Из приведенной выше принципиальной схемы возникновения реактивной силы видно, что окружающая ракету среда не принимает участия в создании реактивной силы, - скорее она даже мешает, уменьшая скорость истечения газов, а следовательно, и силу отдачи. Впрочем, вопрос о реактивной силе в пустоте был экспериментально решен физиком Годдаром, получившим в своих опытах именно такие значения этой силы, какие предсказывались теорией.
Отсюда следует весьма важное качество ракеты как межпланетного корабля, заключающееся в том, что ракета управляема в пустоте. Если, например, направить вытекающие газы вперед, то ракета будет тормозиться, если направить их в сторону, то путь ракеты искривится в обратную сторону.
Правда, возможность управления ракетой ограничена тем, что она сопряжена с расходованием топлива, которого едва хватает для получения космической скорости. Однако для целей межпланетных перелетов тот минимум управляемости, который можно допустить из соображений экономного расходования топлива, вполне достаточен. Он позволяет: а) исправить небольшие погрешности в направлении и скорости полета ракеты, неизбежные при отлете с Земли; б) осуществить такие траектории полета, которые недоступны неуправляемому снаряду, выпущенному с Земли, например, полет по замкнутой кривой вокруг Земли или Луны и т. п.
2. Общее описание ракет
Обычная фейерверочная ракета (фиг. 2) состоит из корпуса, заполненного пороховым составом В, сгорание которого дает направленную вниз струю газов, движущих ракету. Стержень W служит для придания устойчивости полету ракеты.
В наших ракетах в качестве топлива используется не порох, а комбинация кислорода и какого-либо жидкого горючего*.
Простейшая модель такой ракеты изображена на фиг. 3. Находящийся в верхней части ракеты жидкий кислород S испаряется и нагревается под действием какого-нибудь пламени, и нагретый до температуры порядка 700-900њ С движется по трубе А к соплу Fm - Fd. В области Z происходит впрыскивание горючего Д через систему специальных форсунок. На фиг. 4 дано схематическое изображение этих форсунок, а на фиг. 5 - поперечное сечение камеры сгорания на уровне β (см. фиг. 3), в котором видна работа форсунок.
При организации процесса горения желательно добиться, чтобы температура продуктов сгорания у стенок была ниже, чем в области оси камеры сгорания. Это необходимо для того, чтобы не перегревать стенок двигателя. В камере сгорания О происходит полное сгорание впрыснутого топлива, воспламенившегося от соприкосновения с нагретым кислородом. Сопло и камера сгорания окружены рубашкой t. Горючее подается к форсункам по внутренней полости рубашки t, так что камера сгорания и сопло охлаждаются жидким горючим. В рассматриваемой схеме горючее подается под давлением собственных паров, образующихся в отсеке В.
Существенным улучшением конструкции будет такое устройство, которое позволит не нагружать стенки топливных баков большим давлением, следовательно, делать их более легкими.
Этого можно достичь, применяя насосы. В частности, можно предложить схему простого насоса (фиг. 6), который предполагается установить на ракете, изображенной на фиг. 7. Показанная здесь ракета (мы назовем ее моделью D) подобна описанной выше и отличается от нее наличием насосов. Насосы эти представляют собой четыре полых толстостенных кольца, сделанных из достаточно прочного материала (фиг. 7, камеры p1, p2, р3, р4; на фиг. 6 показана камера p2). Разберем более подробно работу одного из насосов.
Пусть р2 заполнено жидкостью. Тем или иным способом можно заставить ее испаряться; тогда образующиеся пары жидкости выдавят ее через трубку О1 в t, откуда она поступит по назначению. Когда жидкость полностью вытечет из р2, клапан (не показанный на фигуре) перекроет О1. Теперь жидкость будет подаваться кольцевой камерой р1. Тем временем открывается клапан, соединяющий р2 с трубкой k, выходящей в атмосферу, и пары топлива освобождают р2. Вслед за этим р2 вновь наполняется жидкостью, и цикл начинается сначала. При этом в топливных баках предполагается, конечно, некоторое небольшое избыточное давление.
Ракета не обязательно должна иметь форму, показанную на фиг. 7. Можно предложить схему, изображенную на фиг. 8 (модель С), в которой двигатель, вернее, ряд двигателей, расположенных по окружности, установлен в головной части ракеты. Топливо помещается в длинном корпусе, находящемся ниже двигателей, и подается в головную часть ракеты системой трубопроводов.
Дальнейшим существенным улучшением конструкции будет введение ряда отдельных топливных отсеков, которые после израсходования заключенного в них топлива сбрасываются. Особенно просто осуществить это в модели С, как это видно на фиг. 9 и 10.
Если следовать схеме фиг. 7, то для достижения того же результата следует прибегнуть к составным ракетам, т. е. ставить ракеты как бы одну на другую (или вкладывать одну в другую), причем нижняя ракета должна быть всегда несущей и должна сбрасываться, как только израсходовано заключенное в ней топливо.