От ракеты до космического корабля

 

 

Нашу эпоху часто называют веком реактивной техники. И для этого есть все основания: роль ее сейчас исключительно велика. Пожалуй, ни одна отрасль техники не знает такого стремительного расцвета, как реактивная!

Ведь еще треть столетия тому назад, в 20-х годах, не существовало даже самого понятия реактивной техники. Да и о какой реактивной технике можно было тогда говорить, если ее «представляли» лишь простейшие пороховые ракеты! Как и многие сотни лет до того, они служили для фейерверочных огней да подачи сигналов.

Правда, еще в конце прошлого века отдельные смелые новаторы уже понимали, какое замечательное будущее ждет реактивную технику. Одним из таких людей был революционер-народоволец Николай Иванович Кибальчич. В ожидании смертной казни, сидя в тюремной камере, он написал записку, в которой впервые в мире предложил использовать пороховую ракету как средство для полета человека.

Ничего не знал о записке Кибальчича, скрытой царской полицией, Константин Эдуардович Циолковский. Скромный русский учитель через несколько лет после Кибальчича стал задумываться над проблемой межпланетного полета. Он не только первый в мире открыл, что межпланетные сообщения возможны лишь с помощью ракеты, но и изобрел реактивный двигатель, без которого сейчас не мыслится осуществление космического полета. К. Э. Циолковский разработал также основы теории реактивных двигателей и реактивного движения, рассмотрел многие важнейшие проблемы использования этих двигателей. Вот почему мы с гордостью называем его родоначальником современной реактивной техники, а нашу страну — ее родиной.

Однако в первые три десятилетия XX в. его идеи с трудом прокладывали себе дорогу. Многие считали Циолковского беспочвенным мечтателем, фантастом. Но с каждым годом все большее число ученых и инженеров в разных странах приходило к тем же выводам.

Навсегда осталось позади время, когда над этой проблемой работали одинокие энтузиасты. Теперь реактивной техникой занимаются крупнейшие ученые, большие научно-исследовательские институты, многочисленные конструкторские бюро. Создана и стремительно развивается новая отрасль промышленности, занятая изготовлением различных видов реактивной техники. Ведущую роль в развитии реактивной техники играет наша страна. Достижения советских ученых, конструкторов и рабочих, создающих новые образцы реактивной техники, известны всему миру.

Пороховой реактивный двигатель — это сейчас только один из представителей многочисленного семейства реактивных двигателей. Каких только замечательных членов не насчитывает это необыкновенное «семейство»! Причем все время появляются новые и новые.

Взгляните на изображенное на цветном рисунке «генеалогическое дерево» этого семейства (стр. 496). Сколько в нем «ветвей»! Большие «ветви» — это двигатели, которые уже получили широкое применение. А молодые «побеги» — новые двигатели, иной раз с большим будущим.

В самом низу «дерево» делится на две главные «ветви». Одна из них — воздушно-реактивные двигатели, другая — ракетные. Различие это очень важное, принципиальное.

В воздушно-реактивных двигателях для создания движущей силы используется окружающий воздух. Кислород воздуха нужен, чтобы сжигать в двигателе горючее — керосин, бензин или другое высококалорийное топливо. Такие двигатели не могут работать на очень больших высотах, где воздух разрежен, и бесполезны в безвоздушном пространстве.

Ракетные двигатели не нуждаются в воздухе; их топливо содержит в себе все необходимое для сгорания — и горючее и окислитель. Окислителем служит кислород или другое вещество, выделяющее при химической реакции с горючим большое количество тепла и газообразные продукты сгорания. Поэтому ракетные двигатели могут работать на больших высотах и в межпланетном пространстве.

Познакомимся сначала с двигателем одной «ветви» — воздушно-реактивным. Двигаясь вверх по ней, мы снова встречаемся с разветвлением. Более толстая и длинная «ветвь» — это газотурбинные воздушно-реактивные двигатели, а другая, поменьше и покороче,— бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели.

Чтобы ответить на вопрос, в чем их различие, нужно сперва вспомнить принцип работы любого реактивного двигателя, или так называемого двигателя прямой реакции (подробнее см. т. 3, ст. «Летательные машины»).

Реактивным называется такой двигатель, в котором движущая сила создается в результате того, что из него наружу вытекает с большой скоростью струя жидкости или газа.

В любом воздушно-реактивном двигателе внутрь устремляется атмосферный воздух, а наружу с гораздо большей скоростью, чем воздух, вытекают продукты сгорания — раскаленные газы. Эта разность скоростей и дает тягу, развиваемую двигателем. Чем больше скорость выходящих газов, тем больше сила тяги, и, чтобы заставить газы вытекать со все большей скоростью, в двигателе создают повышенное давление. Наиболее распространенный способ повышения давления — сжатие поступающего в двигатель воздуха в специальной машине — компрессоре. Вращает компрессор газовая турбина, работающая на продуктах сгорания топлива. Такие двигатели — с газовой турбиной и компрессором — называют газотурбинными или газотурбокомпрессорными; они применяются не только в авиации, но и в промышленности, на железнодорожных локомотивах, автомобилях и др.

Газотурбинный двигатель, который создает реактивную тягу, обычно называется турбореактивным. Эти двигатели — основа современной реактивной авиации. Теперь существует немало их разновидностей. Посмотрите на наше дерево. Вот, например, турбореактивный двигатель с центробежным компрессором — большой крыльчаткой (колесо с лопатками). Крыльчатка вращается с огромной скоростью — несколько тысяч, а то и десятков тысяч оборотов в минуту. Поступающий на нее у оси воздух под действием центробежной силы отбрасывается к концам лопаток. В результате он сжимается, давление его повышается. Такой компрессор 10-15 лет тому назад имело большинство турбореактивных двигателей самолетов. Но сейчас центробежный компрессор устанавливают лишь на двигателях сравнительно небольшой тяги. Инженеры и ученые создали более совершенный — осевой компрессор.

Устроен он совсем иначе, чем центробежный. Вместо одной большой крыльчатки у него есть целый ряд колес, посаженных на вращающемся вале на небольшом расстоянии одно от другого. Они несколько напоминают обычные колеса телеги, но не имеют наружного обода. Спицами в них служат тонкие, изогнутые лопатки. Эти колеса вращаются между рядами таких же лопаток, но только неподвижных.

Когда компрессор работает, первое колесо засасывает снаружи воздух, как обыкновенный вентилятор. Воздух течет вдоль оси, от одной ступени к другой. Ступень — одно вращающееся колесо с рядом установленных за ним неподвижных лопаток. И на каждой ступени он немного сжимается. А так как ступеней бывает 7-10 и даже больше, то общее сжатие воздуха оказывается довольно сильным.

Но это не единственное преимущество осевого компрессора. Пожалуй, еще большее значение имеет то обстоятельство, что через него в секунду протекает значительно большее количество воздуха, чем через центробежный такого же наружного диаметра. Это очень важно — ведь чем больше воздуха будет протекать в секунду через компрессор, тем большую тягу разовьет двигатель при тех же размерах. А чем больше тяга, тем больше при прочих равных условиях и скорость полета самолета. Современные двигатели с осевым компрессором развивают тягу по крайней мере вдвое, а то и втрое большую, чем с центробежным.

В настоящее время создано много конструкций турбореактивных двигателей с осевым компрессором. На нашем дереве изображены два типа таких двигателей. Левая веточка показывает схему простого двигателя, о котором уже шла речь выше. Многоступенчатый осевой компрессор приводится во вращение турбиной. Этот компрессор назван на рисунке однокаскадным.

Сложнее двигатель, схему которого вы видите на правой веточке. Это так называемый двувальный двигатель, или двигатель с двухкаскадным компрессором. У него компрессор разделен на два отдельных, установленных один за другим. Это как бы два последовательных каскада сжатия воздуха: сначала в компрессоре низкого давления, а затем — высокого давления. Каждый из них вращается своей турбиной. Число оборотов у этих компрессоров может быть разным. Это очень выгодно, так как позволяет достичь большего сжатия воздуха. По такой схеме в ряде иностранных государств созданы новые мощные турбореактивные двигатели.

Но вот в сторону от турбореактивных идет ответвление — двухконтурные турбореактивные двигатели. Двухконтурными они называются потому, что в них воздух течет по двум путям. Внутренний контур представляет собой обычный турбореактивный двигатель, а наружный — кольцевой канал вокруг этого двигателя. Воздух засасывается в канал специальным вентилятором. Наружу вытекают две струи: внутренняя — раскаленные газы и наружная — холодный воздух. При той же затрате топлива общее количество вытекающих газов оказывается, таким образом, большим, чем в обычном турбореактивном двигателе, а скорость их истечения — меньшей. Для скоростей полета, не превышающих примерно 800-1000 км/час, такое сочетание оказывается выгодным, так как с тем же количеством топлива самолет может совершить более дальний полет.