Страница:
Если во время полета угол между продольной осью аппарата и плоскостью горизонта по каким-то причинам начинал отклоняться от заданного, то потенциометр 8, связанный с корпусом аппарата, поворачивался вместе с ним относительно неподвижного в пространстве гироскопа и соединенной с ним контактной щетки. При этом на выходе потенциометра появлялся электрический сигнал, пропорциональный по величине углу отклонения. Этот сигнал усиливался и поступал на горизонтальные рули рулевой машины, которые выравнивали ракету. Такое простое устройство, впрочем, могло эффективно работать только при сравнительно незначительном времени полета. Во время длительного полета следовало учитывать вращение Земли, поэтому в этом случае в направление оси гироскопа приходилось вносить коррекцию.
«Горизонт» позволял не только сохранять, но и изменять угол тангажа в соответствии с заданной программой. Из описанной схемы видно, что если в установленный момент потенциометр 8 повернуть на какой-то заданный угол, то рули сработают так, словно на тот же угол отклонился сам аппарат. Следовательно, поворачивая потенциометр, можно вызвать поворот ракеты. «Горизонт» включал в себя очень простой программный механизм, состоящий из металлической ленты 10, эксцентрика 11, шагового мотора 12 и храпового колеса 13. Эксцентрик имел профиль поверхности, соответствующий заданной программе. Шаговый мотор приводил его в движение через червячную передачу (шаговый мотор представлял собой электромагнит с якорем, когда на электромагнит подавался импульс, якорь притягивался к магниту и своим ребром сдвигал храповое колесо на один зуб). Таким образом, скорость вращения храпового колеса зависела от частоты импульсов, подаваемых на электромагнит. Стопор 14 представлял собой защелку, не допускавшую поворот храпового колеса в обратном направлении.
Идентично с «Горизонтом» работал «Вертикант». Перед стартом ракеты ось ротора гироскопа располагалась перпендикулярно к намеченной плоскости полета, поэтому гироскоп оказывался нечувствителен к эволюциям ракеты по тангажу, но реагировал на повороты по крену и курсу. Коррекция гироскопа была такой же, как у «Горизонта», и осуществлялась до старта с помощью маятника 3 и электромагнита 4. После взлета потенциометр 5 реагировал на рысканье ракеты и передавал сигналы на рули. Так как ось, направленная на цель, совпадала с продольной осью ракеты, то при возникновении крена потенциометр 7 в полете перемещался относительно неподвижного движка (щетки), связанной с гироскопом. Сигнал передавался на рули, которые исправляли крен.
89. БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ РАКЕТА
90. АТОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
«Горизонт» позволял не только сохранять, но и изменять угол тангажа в соответствии с заданной программой. Из описанной схемы видно, что если в установленный момент потенциометр 8 повернуть на какой-то заданный угол, то рули сработают так, словно на тот же угол отклонился сам аппарат. Следовательно, поворачивая потенциометр, можно вызвать поворот ракеты. «Горизонт» включал в себя очень простой программный механизм, состоящий из металлической ленты 10, эксцентрика 11, шагового мотора 12 и храпового колеса 13. Эксцентрик имел профиль поверхности, соответствующий заданной программе. Шаговый мотор приводил его в движение через червячную передачу (шаговый мотор представлял собой электромагнит с якорем, когда на электромагнит подавался импульс, якорь притягивался к магниту и своим ребром сдвигал храповое колесо на один зуб). Таким образом, скорость вращения храпового колеса зависела от частоты импульсов, подаваемых на электромагнит. Стопор 14 представлял собой защелку, не допускавшую поворот храпового колеса в обратном направлении.
Идентично с «Горизонтом» работал «Вертикант». Перед стартом ракеты ось ротора гироскопа располагалась перпендикулярно к намеченной плоскости полета, поэтому гироскоп оказывался нечувствителен к эволюциям ракеты по тангажу, но реагировал на повороты по крену и курсу. Коррекция гироскопа была такой же, как у «Горизонта», и осуществлялась до старта с помощью маятника 3 и электромагнита 4. После взлета потенциометр 5 реагировал на рысканье ракеты и передавал сигналы на рули. Так как ось, направленная на цель, совпадала с продольной осью ракеты, то при возникновении крена потенциометр 7 в полете перемещался относительно неподвижного движка (щетки), связанной с гироскопом. Сигнал передавался на рули, которые исправляли крен.
89. БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ РАКЕТА
За свою почти тысячелетнюю историю развития ракетная техника прошла гигантский путь от примитивных «огненных стрел» до мощнейших современных ракет-носителей, способных выводить на орбиту многотонные космические аппараты. Изобретена же ракета была в Китае. Первые документальные сведения о ее боевом применении связаны с осадой монголами китайского города Пиен-Кинга в 1232 году. Китайские ракеты, запускавшиеся тогда из крепости и наводившие страх на монгольскую конницу, представляли собой небольшие мешочки, набитые порохом и привязанные к стреле обычного лука.
Вслед за китайцами зажигательные ракеты начали использовать индийцы и арабы, но с распространением огнестрельного оружия ракеты потеряли свое значение и на много веков были вытеснены из широкого военного употребления.
Вновь интерес к ракете как к боевому оружию пробудился в XIX веке. В 1804 году значительные усовершенствования в конструкцию ракеты внес английский офицер Уильям Конгрев, который впервые в Европе сумел наладить массовое производство боевых ракет. Масса его реактивных снарядов достигала 20 кг, а дальность полета — 3 км. При надлежащей сноровке ими можно было поражать цели на расстоянии до 1000 м. В 1807 году англичане широко применили это оружие при бомбардировке Копенгагена. В короткий срок по городу было выпущено более 25 тысяч ракет, в результате чего город был почти полностью сожжен. Но вскоре развитие нарезного огнестрельного оружия сделало применение ракет малоэффективным. Во второй половине XIX века они были сняты с вооружения в большинстве государств. Вновь почти на сто лет ракета получила отставку.
Впрочем, различные проекты использования реактивной тяги уже в то время появлялись то у одного, то у другого изобретателя. В 1903 году вышла работа «Исследование космических пространств реактивными приборами» русского ученого Константина Циолковского. В ней Циолковский не только предсказал, что ракета станет когда-нибудь тем транспортным средством, которое выведет человека в космос, но и впервые разработал принципиальную схему нового жидкостного реактивного двигателя. Вслед за тем в 1909 году американский ученый Роберт Годдард впервые высказал идею о создании и использовании многоступенчатой ракеты. В 1914 году он взял патент на эту конструкцию. Преимущество использования нескольких ступеней заключается в том, что после полного израсходования топлива из баков ступени она отбрасывается. Тем самым уменьшается масса, которую необходимо разогнать до еще более высоких скоростей. В 1921 году Годдард провел первые испытания своего жидкостного реактивного двигателя, который работал на жидком кислороде и эфире. В 1926 году он произвел первый публичный запуск ракеты с жидкостным двигателем, которая, правда, поднялась всего на 12, 5 м. В дальнейшем Годдард уделял много внимания устойчивости и управляемости ракет. В 1932 году он впервые запустил ракету с гироскопическими рулями. В конечном итоге его ракеты, имея стартовый вес до 350 кг, поднимались на высоту до 3 км. В 30-е годы интенсивные работы по совершенствованию ракет велись уже в нескольких странах.
Принцип работы жидкостного реактивного двигателя в общих чертах очень прост. Топливо и окислитель находятся в отдельных баках. Под высоким давлением они подаются в камеру сгорания, где интенсивно перемешиваются, испаряются, вступают в реакцию и воспламеняются. Образующиеся при этом горячие газы с большой силой выбрасываются назад через сопло, что приводит к появлению реактивной тяги.
Однако реальное воплощение этих простых принципов наталкивалось на большие технические трудности, с которыми и столкнулись первые конструкторы. Наиболее острыми из них оказались проблемы обеспечения устойчивого горения топлива в камере сгорания и охлаждения самого двигателя. Очень непростыми были также вопросы о высокоэнергетическом горючем для ракетного двигателя и о способах подачи компонентов топлива в камеру сгорания, поскольку для полного сгорания с выделением максимального количества тепла они должны были хорошо распыляться и равномерно перемешиваться между собой во всем объеме камеры. Кроме того, требовалось разработать надежные системы, регулирующие работу двигателя и управление ракетой. Понадобилось множество экспериментов, ошибок и неудач, прежде чем все эти трудности были благополучно преодолены.
Вообще говоря, жидкостные двигатели могут работать и на однокомпонентном, так называемом унитарном, топливе. В качестве такового могут выступать, например, концентрированная перекись водорода или гидразин. При соединении с катализатором перекись водорода H2O2 с большим выделением тепла разлагается на кислород и воду. Гидразин N2H4 в этих условиях разлагается на водород, азот и аммиак. Но многочисленные испытания показали, что более эффективными являются двигатели, работающие на двух отдельных компонентах, один из которых является горючим, а другой окислителем. Хорошими окислителями оказались жидкий кислород O2, азотная кислота HNO3, различные окислы азота, а также жидкий фтор F2. В качестве горючего мог применяться керосин, жидкий водород H2, (в соединении с жидким кислородом он является чрезвычайно эффективным горючим), гидразин и его производные. На начальных этапах развития ракетной техники в качестве горючего часто использовался этиловый или метиловый спирт.
Для лучшего распыления и перемешивания топлива (окислителя и горючего) использовались специальные форсунки, расположенные в передней части камеры сгорания (эта часть камеры называется форсуночной головкой). Она, как правило, имела плоскую форму, образованную из множества форсунок. Все эти форсунки выполнялись в виде двойных трубок для одновременной подачи окислителя и горючего. Впрыск топлива происходил под большим давлением. Мелкие капельки окислителя и горючего при высокой температуре интенсивно испарялись и вступали друг с другом в химическую реакцию. Основное горение топлива происходит вблизи форсуночной головки. При этом сильно возрастали температура и давление образующихся газов, которые затем устремлялись в сопло и с большой скоростью вырывались наружу.
Давление в камере сгорания может достигать сотен атмосфер, поэтому горючее и окислитель необходимо подводить под еще более высоким давлением. Для этого в первых ракетах использовался наддув топливных баков сжатым газом или парами самих компонентов топлива (например, парами жидкого кислорода). Позже стали применять специальные высокопроизводительные насосы большой мощности с приводом от газовых турбин. Для раскрутки газовой турбины на начальном этапе работы двигателя подавали горячий газ от газогенератора. Позже стали применять горячий газ, образующийся из компонентов самого топлива. После разгона турбины этот газ попадал в камеру сгорания и использовался для разгона ракеты.
Проблему охлаждения двигателя первоначально пытались решить, применяя особые жаропрочные материалы или специальную охлаждающую жидкость (например, воду). Однако постепенно был найден более выгодный и эффективный метод охлаждения путем использования одного из компонентов самого топлива. Перед вступлением в камеру один из компонентов топлива (например, жидкий кислород) проходил между ее внутренней и наружной стенкой и уносил с собой значительную часть тепла от самой теплонапряженной внутренней стенки. Отработана эта система была далеко не сразу, и поэтому на первых этапах создания ракет их старты часто сопровождались авариями и взрывами.
Для управления в первых ракетах применялись воздушные и газовые рули. Газовые рули располагались у среза сопла и создавали управляющие силы и моменты за счет отклонения вытекающей из двигателя струи газа. По форме они напоминали лопасти весла. Во время полета эти рули быстро обгорали и разрушались. Поэтому в дальнейшем от их использования отказались и стали применять специальные управляющие ракетные двигатели, которые имели возможность поворачиваться относительно осей крепления.
В СССР опыты по созданию ракет на жидкостных двигателях начались в 30-е годы. В 1933 году московская группа изучения реактивного движения (ГИРД) разработала и запустила первую советскую ракету ГИРД-09 (конструкторы Сергей Королев и Михаил Тихонравов). Эта ракета при длине 2, 4 м и диаметре 18 см имела стартовую массу 19 кг. Масса топлива, состоящего из жидкого кислорода и сгущенного бензина, равнялась примерно 5 кг. Двигатель развивал тягу до 32 кг и мог работать 15-18 с. При первом запуске из-за прогара камеры сгорания газовые струи начали вырываться сбоку, что привело к завалу ракеты и ее пологому полету. Максимальная высота полета составляла 400 м.
В последующие годы советские ракетчики провели еще несколько запусков. К сожалению, в 1939 году Реактивный научно-исследовательский институт (в который в 1933 году была преобразована ГИРД) был разгромлен НКВД. Многие конструкторы были отправлены в тюрьмы и лагеря. Королев был арестован еще в июле 1938 года. Вместе с Валентином Глушко, будущим главным конструктором ракетных двигателей, он провел несколько лет в спец КБ в Казани, где Глушко числился главным конструктором двигательных установок для самолетов, а Королев его заместителем. На некоторое время развитие ракетостроения в СССР прекратилось.
Гораздо более ощутимых результатов добились немецкие исследователи. В 1927 году здесь образовалось общество Межпланетных путешествий, которым руководили Вернер фон Браун и Клаус Ридель. С приходом к власти фашистов эти ученые стали работать над созданием боевых ракет. В 1937 году возник ракетный центр в Пенемюнде. В его строительство за четыре года было вложено 550 миллионов марок. В 1943 году численность основного персонала в Пенемюнде составляла уже 15 тысяч человек. Здесь находились крупнейшая в Европе аэродинамическая труба и завод по производству жидкого кислорода. В центре были разработаны самолет-снаряд «Фау-1», а также первая в истории серийная баллистическая ракета «Фау-2» со стартовой массой 12700 кг (баллистической называется такая ракета, которая управляется только на начальном участке полета; после выключения двигателей она летит как свободно брошенный камень). Работа над ракетой началась еще в 1936 году, когда Брауну и Риделю были приданы в помощь 120 сотрудников и несколько сотен рабочих. Первый экспериментальный запуск «Фау-2» состоялся в 1942 году и оказался неудачным. Из-за отказа системы управления ракета врезалась в землю через 1, 5 минуты после старта. Новый старт в октябре 1942 года оказался успешным. Ракета поднялась на высоту 96 км, достигла дальности 190 км и разорвалась в четырех км от заданной цели.
При создании этой ракеты было сделано множество находок, широко используемых потом в ракетостроении, но было также много недоработок. На «Фау» впервые была применена турбонасосная подача топлива в камеру сгорания (до этого обычно применялось вытеснение его сжатым азотом). Для раскрутки газовой турбины использовали перекись водорода. Проблему охлаждения двигателя пытались сначала решить, используя для стенок камеры сгорания толстые стальные листы с плохой теплопроводностью. Но первые же старты показали, что из-за этого двигатель быстро перегревается. Чтобы снизить температуру горения, пришлось разбавлять этиловый спирт 25% воды, что в свою очередь сильно снизило КПД двигателя.
В январе 1944 года начался серийный выпуск «Фау». Эта ракета с дальностью полета до 300 км несла боевой заряд весом до 1 т. С сентября 1944 года немцы стали обстреливать ими территорию Великобритании. Всего было изготовлено 6100 ракет и проведено 4300 боевых пусков. До Англии долетело 1050 ракет и половина из них взорвалась непосредственно в Лондоне. В результате этого погибло около 3 тысяч человек и вдвое больше получило ранения. Максимальная скорость полета «Фау-2» достигала 1, 5 км/с, а высота полета — около 90 км. Ни перехватить, ни сбить эту ракету у англичан не было никакой возможности. Но из-за несовершенной системы наведения они в целом оказались достаточно неэффективным оружием. Однако с точки зрения развития ракетной техники «Фау» представляли собой гигантский шаг вперед. Главное заключалось в том, что в будущее ракет поверили во всем мире. После войны ракетостроение получило во всех государствах мощную государственную поддержку.
США оказались поначалу в более благоприятных условиях многие немецкие ракетчики во главе с самим Брауном после разгрома Германии были доставлены в Америку, точно так же как и несколько готовых «Фау». Этот потенциал послужил исходным пунктом для развития американской ракетной индустрии. В 1949 году, установив «Фау-2» на небольшую исследовательскую ракету «Вак-Корпорэл», американцы осуществили ее запуск на высоту 400 км. На базе той же «Фау» под руководством Брауна была в 1951 году создана американская баллистическая ракета «Викинг», развивавшая скорость около 6400 км/ч. В 1952 году тот же Браун разработал для США баллистическую ракету «Редстоун» с дальностью полета до 900 км (именно эта ракета была использована в 1958 г. в качестве первой ступени при выведении на орбиту первого американского спутника «Эксплорер-1»).
СССР пришлось догонять американцев. Создание собственных тяжелых баллистических ракет здесь также началось с изучения немецких «Фау-2». Для этого сразу же после победы в Германию была направлена группа конструкторов (в числе которых находились Королев и Глушко). Правда, им не удалось заполучить ни одной готовой целой «Фау», но по косвенным признакам и многочисленным свидетельствам представление о ней было составлено достаточно полное.
В 1946 году в СССР начались собственные интенсивные работы по созданию автоматически управляемых баллистических ракет дальнего действия. Организованное Королевым НИИ-88 (позже ЦНИИМаш в подмосковных Подлипках, ныне город Королев) сразу получило значительные средства и всестороннюю государственную поддержку. В 1947 году на базе «Фау-2» была создана первая советская баллистическая ракета Р-1. Этот первый успех дался с огромным трудом. При разработке ракеты советские инженеры столкнулись с множеством проблем. Советская промышленность не выпускала тогда необходимых для ракетостроения марок стали, не было нужной резины и нужных пластмасс. Огромные трудности возникли при работе с жидким кислородом, поскольку все имевшиеся тогда смазочные масла мгновенно загустевали при низкой температуре, и рули переставали работать. Пришлось разрабатывать новые типы масел. Общая культура производства ни в коей мере не соответствовала уровню ракетной техники. Точность изготовления деталей, качество сварки долгое время оставляли желать лучшего. Испытания, проведенные в 1948 году на полигоне Капустин Яр, показали, что Р-1 не только не превосходят «Фау-2», но и уступают им по многим параметрам. Почти ни один старт не проходил гладко. Пуски некоторых ракет откладывались из-за неполадок по много раз. Из 12 предназначенных для испытаний ракет с большим трудом удалось запустить только 9. Испытания, проведенные в 1949 году, дали уже значительно лучшие результаты: из 20 ракет 16 попали в заданный прямоугольник 16 на 8 км. Не было ни одного отказа в запуске двигателя. Но и после этого прошло еще много времени, прежде чем научились конструировать надежные ракеты, которые стартовали, летели и попадали в цель. В 1949 году на базе Р-1 была разработана геофизическая высотная ракета В-1А со стартовой массой около 14 т (при диаметре около 1, 5 м она имела высоту 15 м). В 1949 году эта ракета доставила на высоту 102 км контейнер с научными приборами, который затем благополучно вернулся на землю. В 1950 году Р-1 была принята на вооружение.
С этого момента советские ракетчики уже опирались на собственный опыт и вскоре превзошли не только своих учителей-немцев, но и американских конструкторов. В 1950 году была создана принципиально новая баллистическая ракета Р-2 с одним несущим баком и отделяющейся головной частью. (Топливные баки в «Фау» были подвесные, то есть не несли на себе никакой силовой нагрузки. Советские конструкторы поначалу переняли эту схему. Но в дальнейшем они перешли к использованию несущих баков, когда наружная оболочка, то есть корпус ракеты, служил в качестве стенок топливных баков, или, что то же самое, топливные баки составляли корпус ракеты.) По своим размерам Р-2 была вдвое больше Р-1, но благодаря применению специально разработанных алюминиевых сплавов превосходила ее по весу всего на 350 кг. В качестве топлива здесь по-прежнему использовались этиловый спирт и жидкий кислород.
В 1953 году была принята на вооружение ракета Р-5 с дальностью полета 1200 км. Созданная на ее базе геофизическая ракета В-5А (длина — 29 м, стартовая масса около 29 т) могла поднимать грузы на высоту до 500 км. В 1956 году были проведены испытания ракеты Р-5М, которая впервые в мире пронесла через космос головную часть с ядерным зарядом. Ее полет завершился подлинным ядерным взрывом в заданном районе Аральских Каракумов в 1200 км от места старта. Королев и Глушко после этого получили звезды Героев Социалистического труда.
До середины 50-х годов все советские ракеты были одноступенчатыми. В 1957 г. с нового космодрома в Байконуре была успешно запущена боевая межконтинентальная многоступенчатая баллистическая ракета Р-7. Эта ракета длиной около 30 м и весом около 270 т состояла из четырех боковых блоков первой ступени и центрального блока с собственным двигателем, который служил второй ступенью. В первой ступени использовался двигатель РД-107, во второй ступени — РД-108 на кислородно-керосиновом топливе. При старте все двигатели включались одновременно и развивали тягу около 400 т.
О преимуществах многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми уже говорилось выше. Возможны две схемы расположения ступеней. В первом случае наиболее массивная ракета, расположенная внизу и срабатывавшая в самом начале полета, называется первой ступенью. Обычно на нее устанавливается вторая ракета меньших размеров и массы, которая служит второй ступенью. На ней в свою очередь может размещаться третья ракета и так далее в зависимости оттого, сколько требуется ступеней. Это тип ракеты с последовательным расположением ступеней. Р-7 относилась к другому типу — с продольным разделением ступеней. Отдельные блоки (двигатели и баки с горючим) первой ступени располагались в ней вокруг корпуса второй ступени, и при старте двигатели обеих ступеней начинали работать одновременно. После выработки топлива блоки первой ступени отбрасывались, а двигатели второй ступени продолжали работать дальше.
Несколькими месяцами позже, в том же 1957 году, именно эта ракета вывела на орбиту первый в истории искусственный спутник Земли.
Вслед за китайцами зажигательные ракеты начали использовать индийцы и арабы, но с распространением огнестрельного оружия ракеты потеряли свое значение и на много веков были вытеснены из широкого военного употребления.
Вновь интерес к ракете как к боевому оружию пробудился в XIX веке. В 1804 году значительные усовершенствования в конструкцию ракеты внес английский офицер Уильям Конгрев, который впервые в Европе сумел наладить массовое производство боевых ракет. Масса его реактивных снарядов достигала 20 кг, а дальность полета — 3 км. При надлежащей сноровке ими можно было поражать цели на расстоянии до 1000 м. В 1807 году англичане широко применили это оружие при бомбардировке Копенгагена. В короткий срок по городу было выпущено более 25 тысяч ракет, в результате чего город был почти полностью сожжен. Но вскоре развитие нарезного огнестрельного оружия сделало применение ракет малоэффективным. Во второй половине XIX века они были сняты с вооружения в большинстве государств. Вновь почти на сто лет ракета получила отставку.
Впрочем, различные проекты использования реактивной тяги уже в то время появлялись то у одного, то у другого изобретателя. В 1903 году вышла работа «Исследование космических пространств реактивными приборами» русского ученого Константина Циолковского. В ней Циолковский не только предсказал, что ракета станет когда-нибудь тем транспортным средством, которое выведет человека в космос, но и впервые разработал принципиальную схему нового жидкостного реактивного двигателя. Вслед за тем в 1909 году американский ученый Роберт Годдард впервые высказал идею о создании и использовании многоступенчатой ракеты. В 1914 году он взял патент на эту конструкцию. Преимущество использования нескольких ступеней заключается в том, что после полного израсходования топлива из баков ступени она отбрасывается. Тем самым уменьшается масса, которую необходимо разогнать до еще более высоких скоростей. В 1921 году Годдард провел первые испытания своего жидкостного реактивного двигателя, который работал на жидком кислороде и эфире. В 1926 году он произвел первый публичный запуск ракеты с жидкостным двигателем, которая, правда, поднялась всего на 12, 5 м. В дальнейшем Годдард уделял много внимания устойчивости и управляемости ракет. В 1932 году он впервые запустил ракету с гироскопическими рулями. В конечном итоге его ракеты, имея стартовый вес до 350 кг, поднимались на высоту до 3 км. В 30-е годы интенсивные работы по совершенствованию ракет велись уже в нескольких странах.
Принцип работы жидкостного реактивного двигателя в общих чертах очень прост. Топливо и окислитель находятся в отдельных баках. Под высоким давлением они подаются в камеру сгорания, где интенсивно перемешиваются, испаряются, вступают в реакцию и воспламеняются. Образующиеся при этом горячие газы с большой силой выбрасываются назад через сопло, что приводит к появлению реактивной тяги.
Однако реальное воплощение этих простых принципов наталкивалось на большие технические трудности, с которыми и столкнулись первые конструкторы. Наиболее острыми из них оказались проблемы обеспечения устойчивого горения топлива в камере сгорания и охлаждения самого двигателя. Очень непростыми были также вопросы о высокоэнергетическом горючем для ракетного двигателя и о способах подачи компонентов топлива в камеру сгорания, поскольку для полного сгорания с выделением максимального количества тепла они должны были хорошо распыляться и равномерно перемешиваться между собой во всем объеме камеры. Кроме того, требовалось разработать надежные системы, регулирующие работу двигателя и управление ракетой. Понадобилось множество экспериментов, ошибок и неудач, прежде чем все эти трудности были благополучно преодолены.
Вообще говоря, жидкостные двигатели могут работать и на однокомпонентном, так называемом унитарном, топливе. В качестве такового могут выступать, например, концентрированная перекись водорода или гидразин. При соединении с катализатором перекись водорода H2O2 с большим выделением тепла разлагается на кислород и воду. Гидразин N2H4 в этих условиях разлагается на водород, азот и аммиак. Но многочисленные испытания показали, что более эффективными являются двигатели, работающие на двух отдельных компонентах, один из которых является горючим, а другой окислителем. Хорошими окислителями оказались жидкий кислород O2, азотная кислота HNO3, различные окислы азота, а также жидкий фтор F2. В качестве горючего мог применяться керосин, жидкий водород H2, (в соединении с жидким кислородом он является чрезвычайно эффективным горючим), гидразин и его производные. На начальных этапах развития ракетной техники в качестве горючего часто использовался этиловый или метиловый спирт.
Для лучшего распыления и перемешивания топлива (окислителя и горючего) использовались специальные форсунки, расположенные в передней части камеры сгорания (эта часть камеры называется форсуночной головкой). Она, как правило, имела плоскую форму, образованную из множества форсунок. Все эти форсунки выполнялись в виде двойных трубок для одновременной подачи окислителя и горючего. Впрыск топлива происходил под большим давлением. Мелкие капельки окислителя и горючего при высокой температуре интенсивно испарялись и вступали друг с другом в химическую реакцию. Основное горение топлива происходит вблизи форсуночной головки. При этом сильно возрастали температура и давление образующихся газов, которые затем устремлялись в сопло и с большой скоростью вырывались наружу.
Давление в камере сгорания может достигать сотен атмосфер, поэтому горючее и окислитель необходимо подводить под еще более высоким давлением. Для этого в первых ракетах использовался наддув топливных баков сжатым газом или парами самих компонентов топлива (например, парами жидкого кислорода). Позже стали применять специальные высокопроизводительные насосы большой мощности с приводом от газовых турбин. Для раскрутки газовой турбины на начальном этапе работы двигателя подавали горячий газ от газогенератора. Позже стали применять горячий газ, образующийся из компонентов самого топлива. После разгона турбины этот газ попадал в камеру сгорания и использовался для разгона ракеты.
Проблему охлаждения двигателя первоначально пытались решить, применяя особые жаропрочные материалы или специальную охлаждающую жидкость (например, воду). Однако постепенно был найден более выгодный и эффективный метод охлаждения путем использования одного из компонентов самого топлива. Перед вступлением в камеру один из компонентов топлива (например, жидкий кислород) проходил между ее внутренней и наружной стенкой и уносил с собой значительную часть тепла от самой теплонапряженной внутренней стенки. Отработана эта система была далеко не сразу, и поэтому на первых этапах создания ракет их старты часто сопровождались авариями и взрывами.
Для управления в первых ракетах применялись воздушные и газовые рули. Газовые рули располагались у среза сопла и создавали управляющие силы и моменты за счет отклонения вытекающей из двигателя струи газа. По форме они напоминали лопасти весла. Во время полета эти рули быстро обгорали и разрушались. Поэтому в дальнейшем от их использования отказались и стали применять специальные управляющие ракетные двигатели, которые имели возможность поворачиваться относительно осей крепления.
В СССР опыты по созданию ракет на жидкостных двигателях начались в 30-е годы. В 1933 году московская группа изучения реактивного движения (ГИРД) разработала и запустила первую советскую ракету ГИРД-09 (конструкторы Сергей Королев и Михаил Тихонравов). Эта ракета при длине 2, 4 м и диаметре 18 см имела стартовую массу 19 кг. Масса топлива, состоящего из жидкого кислорода и сгущенного бензина, равнялась примерно 5 кг. Двигатель развивал тягу до 32 кг и мог работать 15-18 с. При первом запуске из-за прогара камеры сгорания газовые струи начали вырываться сбоку, что привело к завалу ракеты и ее пологому полету. Максимальная высота полета составляла 400 м.
В последующие годы советские ракетчики провели еще несколько запусков. К сожалению, в 1939 году Реактивный научно-исследовательский институт (в который в 1933 году была преобразована ГИРД) был разгромлен НКВД. Многие конструкторы были отправлены в тюрьмы и лагеря. Королев был арестован еще в июле 1938 года. Вместе с Валентином Глушко, будущим главным конструктором ракетных двигателей, он провел несколько лет в спец КБ в Казани, где Глушко числился главным конструктором двигательных установок для самолетов, а Королев его заместителем. На некоторое время развитие ракетостроения в СССР прекратилось.
Гораздо более ощутимых результатов добились немецкие исследователи. В 1927 году здесь образовалось общество Межпланетных путешествий, которым руководили Вернер фон Браун и Клаус Ридель. С приходом к власти фашистов эти ученые стали работать над созданием боевых ракет. В 1937 году возник ракетный центр в Пенемюнде. В его строительство за четыре года было вложено 550 миллионов марок. В 1943 году численность основного персонала в Пенемюнде составляла уже 15 тысяч человек. Здесь находились крупнейшая в Европе аэродинамическая труба и завод по производству жидкого кислорода. В центре были разработаны самолет-снаряд «Фау-1», а также первая в истории серийная баллистическая ракета «Фау-2» со стартовой массой 12700 кг (баллистической называется такая ракета, которая управляется только на начальном участке полета; после выключения двигателей она летит как свободно брошенный камень). Работа над ракетой началась еще в 1936 году, когда Брауну и Риделю были приданы в помощь 120 сотрудников и несколько сотен рабочих. Первый экспериментальный запуск «Фау-2» состоялся в 1942 году и оказался неудачным. Из-за отказа системы управления ракета врезалась в землю через 1, 5 минуты после старта. Новый старт в октябре 1942 года оказался успешным. Ракета поднялась на высоту 96 км, достигла дальности 190 км и разорвалась в четырех км от заданной цели.
При создании этой ракеты было сделано множество находок, широко используемых потом в ракетостроении, но было также много недоработок. На «Фау» впервые была применена турбонасосная подача топлива в камеру сгорания (до этого обычно применялось вытеснение его сжатым азотом). Для раскрутки газовой турбины использовали перекись водорода. Проблему охлаждения двигателя пытались сначала решить, используя для стенок камеры сгорания толстые стальные листы с плохой теплопроводностью. Но первые же старты показали, что из-за этого двигатель быстро перегревается. Чтобы снизить температуру горения, пришлось разбавлять этиловый спирт 25% воды, что в свою очередь сильно снизило КПД двигателя.
В январе 1944 года начался серийный выпуск «Фау». Эта ракета с дальностью полета до 300 км несла боевой заряд весом до 1 т. С сентября 1944 года немцы стали обстреливать ими территорию Великобритании. Всего было изготовлено 6100 ракет и проведено 4300 боевых пусков. До Англии долетело 1050 ракет и половина из них взорвалась непосредственно в Лондоне. В результате этого погибло около 3 тысяч человек и вдвое больше получило ранения. Максимальная скорость полета «Фау-2» достигала 1, 5 км/с, а высота полета — около 90 км. Ни перехватить, ни сбить эту ракету у англичан не было никакой возможности. Но из-за несовершенной системы наведения они в целом оказались достаточно неэффективным оружием. Однако с точки зрения развития ракетной техники «Фау» представляли собой гигантский шаг вперед. Главное заключалось в том, что в будущее ракет поверили во всем мире. После войны ракетостроение получило во всех государствах мощную государственную поддержку.
США оказались поначалу в более благоприятных условиях многие немецкие ракетчики во главе с самим Брауном после разгрома Германии были доставлены в Америку, точно так же как и несколько готовых «Фау». Этот потенциал послужил исходным пунктом для развития американской ракетной индустрии. В 1949 году, установив «Фау-2» на небольшую исследовательскую ракету «Вак-Корпорэл», американцы осуществили ее запуск на высоту 400 км. На базе той же «Фау» под руководством Брауна была в 1951 году создана американская баллистическая ракета «Викинг», развивавшая скорость около 6400 км/ч. В 1952 году тот же Браун разработал для США баллистическую ракету «Редстоун» с дальностью полета до 900 км (именно эта ракета была использована в 1958 г. в качестве первой ступени при выведении на орбиту первого американского спутника «Эксплорер-1»).
СССР пришлось догонять американцев. Создание собственных тяжелых баллистических ракет здесь также началось с изучения немецких «Фау-2». Для этого сразу же после победы в Германию была направлена группа конструкторов (в числе которых находились Королев и Глушко). Правда, им не удалось заполучить ни одной готовой целой «Фау», но по косвенным признакам и многочисленным свидетельствам представление о ней было составлено достаточно полное.
В 1946 году в СССР начались собственные интенсивные работы по созданию автоматически управляемых баллистических ракет дальнего действия. Организованное Королевым НИИ-88 (позже ЦНИИМаш в подмосковных Подлипках, ныне город Королев) сразу получило значительные средства и всестороннюю государственную поддержку. В 1947 году на базе «Фау-2» была создана первая советская баллистическая ракета Р-1. Этот первый успех дался с огромным трудом. При разработке ракеты советские инженеры столкнулись с множеством проблем. Советская промышленность не выпускала тогда необходимых для ракетостроения марок стали, не было нужной резины и нужных пластмасс. Огромные трудности возникли при работе с жидким кислородом, поскольку все имевшиеся тогда смазочные масла мгновенно загустевали при низкой температуре, и рули переставали работать. Пришлось разрабатывать новые типы масел. Общая культура производства ни в коей мере не соответствовала уровню ракетной техники. Точность изготовления деталей, качество сварки долгое время оставляли желать лучшего. Испытания, проведенные в 1948 году на полигоне Капустин Яр, показали, что Р-1 не только не превосходят «Фау-2», но и уступают им по многим параметрам. Почти ни один старт не проходил гладко. Пуски некоторых ракет откладывались из-за неполадок по много раз. Из 12 предназначенных для испытаний ракет с большим трудом удалось запустить только 9. Испытания, проведенные в 1949 году, дали уже значительно лучшие результаты: из 20 ракет 16 попали в заданный прямоугольник 16 на 8 км. Не было ни одного отказа в запуске двигателя. Но и после этого прошло еще много времени, прежде чем научились конструировать надежные ракеты, которые стартовали, летели и попадали в цель. В 1949 году на базе Р-1 была разработана геофизическая высотная ракета В-1А со стартовой массой около 14 т (при диаметре около 1, 5 м она имела высоту 15 м). В 1949 году эта ракета доставила на высоту 102 км контейнер с научными приборами, который затем благополучно вернулся на землю. В 1950 году Р-1 была принята на вооружение.
С этого момента советские ракетчики уже опирались на собственный опыт и вскоре превзошли не только своих учителей-немцев, но и американских конструкторов. В 1950 году была создана принципиально новая баллистическая ракета Р-2 с одним несущим баком и отделяющейся головной частью. (Топливные баки в «Фау» были подвесные, то есть не несли на себе никакой силовой нагрузки. Советские конструкторы поначалу переняли эту схему. Но в дальнейшем они перешли к использованию несущих баков, когда наружная оболочка, то есть корпус ракеты, служил в качестве стенок топливных баков, или, что то же самое, топливные баки составляли корпус ракеты.) По своим размерам Р-2 была вдвое больше Р-1, но благодаря применению специально разработанных алюминиевых сплавов превосходила ее по весу всего на 350 кг. В качестве топлива здесь по-прежнему использовались этиловый спирт и жидкий кислород.
В 1953 году была принята на вооружение ракета Р-5 с дальностью полета 1200 км. Созданная на ее базе геофизическая ракета В-5А (длина — 29 м, стартовая масса около 29 т) могла поднимать грузы на высоту до 500 км. В 1956 году были проведены испытания ракеты Р-5М, которая впервые в мире пронесла через космос головную часть с ядерным зарядом. Ее полет завершился подлинным ядерным взрывом в заданном районе Аральских Каракумов в 1200 км от места старта. Королев и Глушко после этого получили звезды Героев Социалистического труда.
До середины 50-х годов все советские ракеты были одноступенчатыми. В 1957 г. с нового космодрома в Байконуре была успешно запущена боевая межконтинентальная многоступенчатая баллистическая ракета Р-7. Эта ракета длиной около 30 м и весом около 270 т состояла из четырех боковых блоков первой ступени и центрального блока с собственным двигателем, который служил второй ступенью. В первой ступени использовался двигатель РД-107, во второй ступени — РД-108 на кислородно-керосиновом топливе. При старте все двигатели включались одновременно и развивали тягу около 400 т.
О преимуществах многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми уже говорилось выше. Возможны две схемы расположения ступеней. В первом случае наиболее массивная ракета, расположенная внизу и срабатывавшая в самом начале полета, называется первой ступенью. Обычно на нее устанавливается вторая ракета меньших размеров и массы, которая служит второй ступенью. На ней в свою очередь может размещаться третья ракета и так далее в зависимости оттого, сколько требуется ступеней. Это тип ракеты с последовательным расположением ступеней. Р-7 относилась к другому типу — с продольным разделением ступеней. Отдельные блоки (двигатели и баки с горючим) первой ступени располагались в ней вокруг корпуса второй ступени, и при старте двигатели обеих ступеней начинали работать одновременно. После выработки топлива блоки первой ступени отбрасывались, а двигатели второй ступени продолжали работать дальше.
Несколькими месяцами позже, в том же 1957 году, именно эта ракета вывела на орбиту первый в истории искусственный спутник Земли.
90. АТОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
Первая в мире атомная электростанция была построена в СССР через девять лет после атомной бомбардировки Хиросимы. Этому важнейшему в истории техники событию предшествовала лихорадочная и напряженная работа по созданию собственного ядерного оружия. Эту работу возглавил видный ученый и талантливый организатор Игорь Курчатов. В 1943 году Курчатов создал в Москве свой исследовательский центр (в то время он носил название Лаборатории № 2, а позже был преобразован в Институт атомной энергии). В этой и в некоторых других лабораториях в кратчайшие сроки были повторены все исследования американских ученых, получены чистый уран и чистый графит. В декабре 1946 года здесь же была осуществлена первая цепная реакция на опытном ядерном ураново-графитовом реакторе Ф1. Мощность этого реактора едва достигала 100 Вт. Однако на нем удалось получить важные данные, послужившие основой для проектирования большого промышленного реактора, разработка которого уже шла полным ходом.
Опыта по строительству такого реактора в СССР не было никакого. После некоторых размышлений Курчатов решил поручить эту работу НИИхиммаш, которым руководил Николай Доллежаль. Хотя Доллежаль был чистый химик-машиностроитель и никогда не занимался ядерной физикой, его знания оказались очень ценными. Впрочем, собственными силами НИИхиммаш тоже не сумел бы создать реактор. Работа пошла успешно только после того, как к ней подключилось еще несколько институтов. Принцип действия и устройство реактора Доллежалю были в общих чертах ясны: в металлический корпус помещались графитовые блоки с каналами для урановых блоков и регулирующих стержней — поглотителей нейтронов. Общая масса урана должна была достигать рассчитанной физиками необходимой величины, при которой начиналась поддерживаемая цепная реакция деления атомов урана. В результате реакции деления ядер урана возникали не только два осколка (два новых ядра), но и несколько нейтронов Эти нейтроны первого поколения и служили для поддержания реакции, в результате которой возникали нейтроны второго поколения, третьего и так далее. В среднем на каждую тысячу возникших нейтронов только несколько рождались не мгновенно, в момент деления, а чуть позднее вылетали из осколков. Существование этих так называемых запаздывающих нейтронов, являющихся мелкой деталью в процессе деления урана, оказывается решающим для возможности осуществления управляемой цепной реакции. Часть из них запаздывает на доли секунды, другие — на секунды и более. Количество запаздывающих нейтронов составляет всего 0, 75% от их общего количества, однако они существенно (примерно в 150 раз) замедляют скорость нарастания нейтронного потока и тем самым облегчают задачу регулирования мощности реактора. Именно за это время, манипулируя поглощающими нейтроны стержнями, можно вмешаться в ход реакции, замедлить ее или ускорить. Большинство нейтронов рождается одновременно с делением, и за короткое время их жизни (примерно стотысячные доли секунды) невозможно как-либо повлиять на ход реакции, как невозможно остановить уже начавшийся атомный взрыв. Отталкиваясь от этих сведений, коллектив Доллежаля сумел быстро справиться с задачей. Уже в 1948 году был построен плутониевый завод с несколькими промышленными реакторами, а в августе 1949 года была испытана первая советская атомная бомба.
После этого Курчатов мог уделить больше внимания мирному использованию атомной энергии. По его поручению Фейнберг и Доллежаль начали разрабатывать проект реактора для атомной электростанции. Первый делал физические расчеты, а второй — инженерные. То что ядерный реактор может быть не только производителем оружейного плутония, но и мощной энергетической установкой, стало ясно уже первым его создателям. Одним из внешних проявлений протекающей ядерной реакции наряду с радиоактивным излучением является значительное выделение теплоты. В атомной бомбе эта теплота освобождается мгновенно и служит одним из ее поражающих факторов. В реакторе, где цепная реакция находится как бы в тлеющем состоянии, интенсивное выделение тепла может продолжаться месяцы и даже годы, причем несколько килограммов урана могут выделить столько же энергии, сколько выделяют при сгорании нескольких тысяч тонн обычного топлива. Поскольку советские физики уже научились управлять ядерной реакцией, проблема создания энергетического реактора сводилась к поиску способов съема с него тепла. Опыт, полученный в ходе экспериментов Курчатовым, был очень ценным, однако не давал ответа на многие вопросы. Ни один из построенных к этому времени реакторов не был энергетическим. В промышленных реакторах тепловая энергия была не только не нужна, но и вредна — ее приходилось отводить, то есть охлаждать урановые блоки. Проблема сбора и использования тепла, выделившегося в ходе ядерной реакции, ни в СССР, ни в США еще не рассматривалась.
Опыта по строительству такого реактора в СССР не было никакого. После некоторых размышлений Курчатов решил поручить эту работу НИИхиммаш, которым руководил Николай Доллежаль. Хотя Доллежаль был чистый химик-машиностроитель и никогда не занимался ядерной физикой, его знания оказались очень ценными. Впрочем, собственными силами НИИхиммаш тоже не сумел бы создать реактор. Работа пошла успешно только после того, как к ней подключилось еще несколько институтов. Принцип действия и устройство реактора Доллежалю были в общих чертах ясны: в металлический корпус помещались графитовые блоки с каналами для урановых блоков и регулирующих стержней — поглотителей нейтронов. Общая масса урана должна была достигать рассчитанной физиками необходимой величины, при которой начиналась поддерживаемая цепная реакция деления атомов урана. В результате реакции деления ядер урана возникали не только два осколка (два новых ядра), но и несколько нейтронов Эти нейтроны первого поколения и служили для поддержания реакции, в результате которой возникали нейтроны второго поколения, третьего и так далее. В среднем на каждую тысячу возникших нейтронов только несколько рождались не мгновенно, в момент деления, а чуть позднее вылетали из осколков. Существование этих так называемых запаздывающих нейтронов, являющихся мелкой деталью в процессе деления урана, оказывается решающим для возможности осуществления управляемой цепной реакции. Часть из них запаздывает на доли секунды, другие — на секунды и более. Количество запаздывающих нейтронов составляет всего 0, 75% от их общего количества, однако они существенно (примерно в 150 раз) замедляют скорость нарастания нейтронного потока и тем самым облегчают задачу регулирования мощности реактора. Именно за это время, манипулируя поглощающими нейтроны стержнями, можно вмешаться в ход реакции, замедлить ее или ускорить. Большинство нейтронов рождается одновременно с делением, и за короткое время их жизни (примерно стотысячные доли секунды) невозможно как-либо повлиять на ход реакции, как невозможно остановить уже начавшийся атомный взрыв. Отталкиваясь от этих сведений, коллектив Доллежаля сумел быстро справиться с задачей. Уже в 1948 году был построен плутониевый завод с несколькими промышленными реакторами, а в августе 1949 года была испытана первая советская атомная бомба.
После этого Курчатов мог уделить больше внимания мирному использованию атомной энергии. По его поручению Фейнберг и Доллежаль начали разрабатывать проект реактора для атомной электростанции. Первый делал физические расчеты, а второй — инженерные. То что ядерный реактор может быть не только производителем оружейного плутония, но и мощной энергетической установкой, стало ясно уже первым его создателям. Одним из внешних проявлений протекающей ядерной реакции наряду с радиоактивным излучением является значительное выделение теплоты. В атомной бомбе эта теплота освобождается мгновенно и служит одним из ее поражающих факторов. В реакторе, где цепная реакция находится как бы в тлеющем состоянии, интенсивное выделение тепла может продолжаться месяцы и даже годы, причем несколько килограммов урана могут выделить столько же энергии, сколько выделяют при сгорании нескольких тысяч тонн обычного топлива. Поскольку советские физики уже научились управлять ядерной реакцией, проблема создания энергетического реактора сводилась к поиску способов съема с него тепла. Опыт, полученный в ходе экспериментов Курчатовым, был очень ценным, однако не давал ответа на многие вопросы. Ни один из построенных к этому времени реакторов не был энергетическим. В промышленных реакторах тепловая энергия была не только не нужна, но и вредна — ее приходилось отводить, то есть охлаждать урановые блоки. Проблема сбора и использования тепла, выделившегося в ходе ядерной реакции, ни в СССР, ни в США еще не рассматривалась.