Рис. 13. Схема действия прямоточного реактивного двигателя.
Таков же принцип устройства и так называемых турбореактивных двигателей, широко применяемых в современных реактивных самолетах. В этих двигателях для большей тяги воздух предварительно сжимается с помощью турбокомпрессора, а затем все происходит так же, как и в прямоточных двигателях.
Рис. 14. Турбореактивный двигатель.
Как уже отмечалось, ВРД нуждаются в кислороде воздуха и потому для полета в безвоздушном пространстве они непригодны. К их числу надо отнести также реактивные двигатели, работающие на порохе. Простейшим примером подобного двигателя служит обычная фейерверочная ракета. Грозным сородичем праздничных ракет являются реактивные снаряды минометов «Катюша».
Иное дело — ракетные двигатели на жидком топливе (ЖРД). Именно такой двигатель и предлагал Циолковский для межпланетной ракеты.
В двух баках, изолированных друг от друга, находятся составляющие элементы топлива — горючее и окислитель. Горючим могут быть какие-нибудь углеводородные соединения, например, бензин или керосин, окислителем — жидкий кислород.
С помощью насосов обе жидкости подаются в камеру сгорания. Здесь происходит их воспламенение, и образующиеся раскаленные газы создают необходимую тягу.
ЖРД не зависят от окружающей среды. Они могут работать и в воздухе и в безвоздушном пространстве. Регулируя подачу топлива в камеру сгорания, можно управлять скоростью полета. В этом положительные качества ЖРД.
Недостатком ЖРД является малая продолжительность их действия. Развивая огромную мощность, они могут работать не больше 4–5 минут. Вот почему ЖРД устанавливаются на истребителях-перехватчиках, которым необходимо развивать большие скорости и стремительно подниматься на значительные высоты. В качестве горючего чаще всего употребляют керосин, бензин, а также спирт и анилин. Окислителями в первом случае служит азотная кислота, во втором — жидкий кислород.
И все-таки, несмотря на некоторые недостатки, ближайшее будущее принадлежит жидкостно-ракетным двигателям.
Именно с их помощью достигнуты наибольшие скорости и высота полетов.
Летчик, взлетевший на высоту 25 км, пользовался самолетом с ЖРД. Его полет отчасти напоминал межпланетное путешествие. На высоте 25 км воздух настолько разрежен, что кабину самолета пришлось сделать герметически закупоренной, похожей на кабину межпланетного корабля. В окна кабины летчик наблюдал непривычную картину — на темном с фиолетовым оттенком небе ослепительно ярко сияло Солнце и можно было заметить ярчайшие из звезд.
Чем выше и быстрее летают самолеты, тем больше их внешний вид напоминает облик космических кораблей (рис. 15). Еще большее сходство с ракетой Циолковского имеют стратосферные ракеты, которые во вторую мировую войну немцы использовали для бомбардировки Лондона и которые теперь служат научным целям — изучению верхних слоев атмосферы.
Рис. 15. Чем быстрее и выше летают самолеты, тем больше их внешний вид походит на облик будущих космических ракет.
Принцип устройства стратосферной ракеты нам уже знаком (рис. 16). Ракета имеет жидкостно-ракетный двигатель, а в головной своей части вместо взрывчатки она несет полезный груз — различную научно-исследовательскую аппаратуру.
Рис. 16. Устройство стратосферной ракеты:
1) двигатель; 2) баки с топливом; 3) приборы.
Размеры ракеты весьма внушительны — при длине 14 метров и диаметре 170 сантиметров она имеет вес около 13 тонн. Двигатель работает на обычном 75-градусном винном спирте, который, сгорая с жидким кислородом, образует раскаленную газовую струю.
Интересно отметить, что хотя топливо весит 9 тонн, т. е. составляет почти ¾ общего веса ракеты, оно полностью израсходуется за какие-нибудь 70 секунд. Остальное время ракета летит за счет накопленной энергии, подчиняясь лишь действию двух сил — притяжению Земли и сопротивлению воздуха.
Стремительно поднимаясь на высоту в сотни километров, стратосферные ракеты развивают скорости, значительно превышающие звуковую. Мощность двигателя подобных ракет близка к 600 000 л. с., т. е. к мощности Днепрогеса!
Опубликованы сообщения о взлете обычных ракет до высоты 400 километров над уровнем моря, а радиоуправляемых ракет даже до высот в 500 километров, причем скорость полета некоторых из них равнялась 6880
, т. е. около двух километров в секунду!
Вот рекорд высоты и скорости полета, достигнутый человеком. Пятьсот километров над Землей — это, практически говоря, уже безвоздушное мировое пространство.
Небо там совершенно черно и усыпано множеством звезд, хотя среди звезд ослепительно ярко сияет Солнце. Удивительная картина — звездный день или солнечная ночь, трудно даже подобрать для нее подходящее название!
Кругом царит полное безмолвие, так как уже выше 120 километров над Землей воздух становится настолько разреженным, что звуковые волны распространяться в нем не могут.
Таковы те области, в которые уже проникли аппараты, созданные руками человека. Человечество вышло на порог своего «дома», чтобы в недалеком будущем отправиться в прогулку по другим «домам».
Достигнутые успехи велики, но еще большие трудности ожидают первых межпланетных путешественников.
Рассматривая формулу Циолковского, мы отмечали некоторые из них. Сознаемся, что реальные трудности были нами тогда сильно преуменьшены. В самом деле, наши расчеты не учитывали силу тяжести. С учетом же притяжения Земли, движение ракеты будет определяться другой формулой, также выведенной Циолковским. Вот она:
где g — ускорение силы тяжести (9,8
), принимаемое за постоянное на всем пути полета, а
а — собственное ускорение ракеты.
Для взлета ракеты с Земли необходимо, чтобы развиваемое ею ускорение а было больше g. Если а меньше g, ракета будет лежать на Земле, сколько бы не работал ее двигатель. При равенстве этих величин (a=g) ракета повиснет над Землей, не поднимаясь и не снижаясь. И только когда а станет больше g, ракета отправится в полет.
Совершенно очевидно, что для полета ракеты в сфере притяжения Земли или другого небесного тела потребуется бóльший расход топлива, чем при полете в среде без тяжести. К этому надо прибавить еще затрату топлива на преодоление сопротивления атмосферы. Необходимо заметить, что расчеты, связанные с вылетом ракеты из атмосферы, очень сложны и формулы Циолковского дают лишь самую общую, приближенную картину полета ракеты.
По верному замечанию Паскаля «никто не странствовал бы по свету, если бы не надеялся когда-нибудь рассказать другим о том, что видел». Разумеется, и межпланетные путешественники не пойдут на заведомую гибель, а захотят снова очутиться на Земле. А это значит, потребуются новые расходы топлива для посадки на Луну, для отлета с ее поверхности, для торможения при спуске на Землю, а также некоторый резерв для «непредвиденных расходов».
Каждый расход топлива придает ракете некоторую скорость. Так вот, если учесть все эти расходы, если считать, что уже достигнута наибольшая скорость истечения газов с (4
), то и тогда минимальная скорость, с которой ракета должна отправиться с Земли на Луну, равна не 11,2, а 27–30
! В этом случае для космического корабля отношение масс
будет равно 1000. Результат грустный — построить ракету, в которой полезный груз занимал бы всего 0,001 долю ее веса, очевидно, невозможно. Снова тупик и… снова есть выход!
