Ракеты: немного теории

Сто три года тому назад русский ученый Иван Всеволодович Мещерский вывел уравнение, описывающие динамику точки переменной массы, чем существенно расширил разработанную за двести с лишним лет до него Исааком Ньютоном , великим английским ученым, теорию движения точки (тела) постоянной массы. Согласно закона Ньютона, F=ma где m - масса тела, v- его скорость, F - приложенная к нему внешняя сила. В уравнении Мещерского появился новый член, равный произведению секундного расхода массы , истекающего из тела, на скорость ее истечения ( ). Под телом, естественно, можно понимать ракету, а под истекающей массой - газы, вылетающие из сопла ракетного двигателя.

Удивительно, что человечество 210 лет не задумывалось над этим вопросом. Не менее, впрочем, удивительно, что на водных лыжах люди стали кататься лишь в ХХ веке, хотя катера-буксировщики были и задолго до этого, на лыжах по земле ходили еще первобытные люди, а в Библии даже описано хождение по воде "аки по суху", но вот объединить лыжи и катер догадались лишь в этом веке.

Как только поняли, что составляющая имеет размерность силы, стали думать, как это использовать для движения аппаратов в пространстве, в том числе и безвоздушном (что очень важно!), ибо реактивная сила не нуждается в присутствии атмосферы, в отличие от аэродинамической силы, которую использует пропеллер.

Другой великий русский ученый Константин Эдуардович Циолковский на основе работ И.В.Мещерского в 1903 году вывел формулу , носящую его имя в которой - начальная скорость тела (летательного аппарата); - его конечная скорость; ; u - скорость истечения массы (газов) из тела (ракеты); - масса израсходованного ракетного топлива; - масса конструкции ракеты с ее оборудованием. Число носит имя Циолковского. Для наиболее совершенных жидкостных ракет оно составляет величину порядка 4. Для наиболее совершенных жидких топлив (водород+кислород) величина u достигает 4,5 км/сек.

Интересно отметить, что в отличие от уравнения Мещерского формула Циолковского не содержит времени, то есть конечную скорость можно набрать независимо от того, каков был секундный расход топлива; главное, какова скорость истечения продуктов его сгорания, а также соотношения масс топлива и конструкции ракеты. После получения И.В. Мещерским и К.Э. Циолковским упомянутых важных теоретических результатов в области реактивного движения дела пошли довольно быстро, хотя сами по себе ракеты были известны давно .

Однако лишь строгий научный подход к вопросу достижения больших скоростей (а следовательно, и больших дальностей стрельбы для боевых ракет) позволил ускорить процесс развития ракетной и космической техники. Особенно важным было распространение К.Э.Циолковским своей знаменитой формулы на многоступенчатую ракету (которую он назвал "ракетным поездом"). Самые хорошие современные многоступенчатые ракеты-носители способны вывести на низкую устойчиво существующую околоземную орбиту примерно 1 кг полезного груза из каждых 26 кг стартового веса ракеты. Одной из первых проблем, которую надо было для этого решить, была проблема создания высокоэффективного ракетного двигателя. Над этой проблемой работали в нашей стране специалист по химии взрывчатых веществ и внутренней баллистике Николай Иванович Тихомиров (1859-1930) , советский ученый в области реактивных двигателей и теории реактивного полета Фридрих Артурович Цандер (1887-1933) , советский специалист по ракетным двигателям и ракетной технике Валентин Петрович Глушко (1908-1989) и многие другие. Были разработаны твердотопливные ракетные двигатели , на основе которых были созданы реактивные снаряды сначала авиационного базирования (боевое применение на реке Халкин-Гол при военном конфликте с японцами), а затем - базирования на автомобильном шасси (знаменитые "Катюши" времен Великой Отечественной войны).

Однако параллельно В.П.Глушко разрабатывал в ЛГД газодинамической лаборатории (г. Ленинград) жидкостные ракетные двигатели. Затем лаборатория была переведена в Москву, объединена с московской группой изучения реактивного движения ( ГИРД ) и с аналогичной киевской группой. В результате через некоторое время организовался ракетный научно- исследовательский институт ( РНИИ ), который в последствии несколько раз менял свои наименования и в настоящее время стал Центром имени М.В.Келдыша ( Мстислав Всеволодович Келдыш одно время был руководителем этой организации). Проблему создания ракетных двигателей в нашей стране стали решать в 20-30 года ХХ столетия. Первую жидкостную ракету ГИРД-Х конструкции Ф.А.Цандера испытали в 1933, уже после его кончины. Дело Цандера продолжил Сергей Павлович Королев (1906-1966), выдающий советский конструктор-ракетчик. Он испытывал первые небольшие ракеты на полигоне в Нахабино , под Москвой. В этих ракетах присутствовали все основные компоненты, изображенные в трудах К.Э. Циолковского.

Огромный шаг в области ракетостроения был сделан в Германии во время Второй мировой войны, где немецкий ракетчик Вернер фон Браун разработал баллистическую ракету Фау-2 с двигателем, работавшим на спирте и перекиси водорода. Эти ракеты стреляли по Лондону и Ковентри , неся с собой обычные тротиловые заряды. В США до войны созданием жидкостных ракет занимался Роберт Хатчингл Годдарт (1882-1945) , который в 1926 году испытал такую ракету, поднявшуюся на высоту всего 12,5 м. и упавшую в 56 м. от места старта. Позже он создал более мощную ракету, но высота ее подъема не превысила 3 км. (1941г.).

К сожалению, в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны собственно ракетная отрасль была в загоне. Имелись лишь отдельные попытки применения ракетных двигателей в авиации и гвардейских минометных частях ( "Катюши" ). Однако после захвата в конце войны полигонов и заводов Германии (в Пенемюнде , Нордхаузене и др. местах), а также ознакомления с соответствующей материальной частью и научно- технической документацией и захвата части специалистов. Председатель Правительства СССР И.В.Сталин в мае 1946 г. подписал постановление о создании ракетной отрасли в нашей стране . Американцы также захватили большую часть оборудования, документации и специалистов (в том числе Вернера фон Брауна) и стали развивать ракетную отрасль в США.

Немецкие ракеты Фау-2 были привезены на полигон Капустин Яр , что на берегу Ахтубы, в Астраханской области. Это наш первый полигон для испытаний баллистических ракет, а также и космодром. Он существует до сих пор. В те годы соответствующие службы были на первых порах расположены в вагонах специального поезда , поскольку домов еще не построили.

Будущие академики С.П. Королев , Н.А. Пилюгин и другие члены знаменитой шестерки главных конструкторов стали организовывать запуск этих ракет.

Параллельно велись разработки аналогичной советской ракеты Р1 той же дальности стрельбы (около 300км.). Немецких специалистов к этой работе не подпускали. Потом пошла разработка других ракет ( Р2 и т.д.) Ракету Р5 уже сделали как носитель ядерного заряда . Ее однажды испытали с ядерной боеголовкой . Ракета стартовала из Капустина Яра, а боеголовка подорвалась в Казахстане. При этом была испытана соответствующая техника и исследовано влияние ядерного взрыва на различные объекты, в том числе и на живую природу.

В 1952 году Председатель Совета Министров СССР И.В.Сталин утвердил постановление правительства о разработке ракеты Р-7 межконтинентального класса дальности. Начали создавать эту ракету под руководством С.П. Королева . Ее конструкция содержала центральный блок и четыре боковых блока, причем двигатели всех блоков запускались на старте. Ракета получилась очень необычная. На заре ракетной техники поверхность ракет старались делать с гладкими, хорошо обтекаемыми поверхностями, считая, что иначе они будут плохо летать. Ракетчики не понимали, что если сделать хороший ракетный двигатель, хорошие органы управления и хорошую систему управления, то, как принято говорить и "ворота полетят", в том числе и такая "ракета", как Р7 с четырьмя "боковушками". Все знают конструкцию ракетной системы "Энергия-Буран" и ее американского аналога "Space Shattle". Это вообще какие-то "каракатицы": космопланы прикреплены сбоку к ракете-носителю, да и сам носитель состоит из центрального блока и боковых ускорителей. Тем не менее, эти конструкции прекрасно летают. Вот что значит современная система управления...

Ссылки: