"Техника-молодежи" №3-1937

Проф. Годдард перед пуском своей первой жидкостной ракеты.

10 февраля 1936 г. на озере Гринвуд в Нью-Йорке был испытан почтовый ракетоплан с ракетным двигателем на жидком топливе. Ракетоплан должен был доставить 4 тысячи почтовых открыток в Гевитт, лежавший в 5 км от озера. Алюминиевый ракетный самолет имел размах крыльев 4,5 м и длину 3,7 м. Весил он 54 кг. В передней части помещалось отделение для почтового груза, за ним были расположены три бака с топливом. Помещенный в конце фюзеляжа ракетный двигатель должен был развивать тягу 18 кг за 35 секунд.

Две попытки пустить ракетоплан окончились неудачно. При первой, попытке замерзла кислородная трубка, при втором пуске ракетоплан, поднявшись в воздух, упал в 30 м от старта.

Не лучше закончились и повторные испытания 23 феврали того же года. На этот раз испытывались два ракетных самолета. После небольшого пробега по льду, первый самолет поднялся в воздух, но через несколько секунд прогорела камера сгорания, газы стали вылетать не только через сопло, но и через образовавшееся сбоку отверстие. Потерявший устойчивость ракетоплан упал в 300 м от старта. У второго ракетоплана через 15 секунд полета развалились крылья, и он упал.

Как, вероятно, известно читателям, основы теории реактивного движения были разработаны русским ученым К. Э. Циолковским и опубликованы им еще в 1903 г. в «Научном обозрении». В своих классических трудах замечательный ученый первый дал расчеты полета ракеты, расхода горючего и коэфициента полезного действия. Он показал, что все работы в области ракетной техники окажутся бесплодными, если не создать надежный ракетный мотор, обладающий высоким коэфициентам полезного действия, и не подобрать для него наиболее калорийное топливо. Таким топливом, как показал Циолковский, является не порох (он быстро выделяет заключенную в нем энергию, но имеет сравнительно низкую теплотворную способность), а жидкие горючие смеси: бензин и жидкий кислород или жидкие кислород и водород.

Одним из первых ученых, которые стали заниматься проблемой реактивного движения, является американский профессор Роберт Годдард. Первые его работы относятся к 1914 г., когда он разработал проект ракеты с двигателем на жидком топливе. Ракета имела сравнительно простую схему. Горючее и окислитель должны были под давлением подаваться в камеру сгорания с коническим соплом. Жидкое топливо позволяло уменьшить давление в камере сгорания, облегчив этим ее вес.

Однако, приступая к работам, Годдард начал практические опыты с пороховых ракет, как более простых и безопасных. Уже при первых опытах удалось улучшить форму сопла ракетного двигателя и поднять термический коэфициент полезного действия ракеты с 2 до 62%, Скорость истечения тазов из сопла превосходила 2 000 м в секунду.

Для сохранения устойчивости ракеты в полете Годдард делал у нее вращающуюся головку, используя получающийся жироскопический эффект. Головка приводилась в действие струями газов, вытекающих из боковых каналов.

Благодаря тому, что каналы были расположены косо, реактивная сила вытекающей струи заставляла головку вращаться.

Годдардом был составлен также проект составной ракеты из нескольких камер сгорания.

После выгорания пороха в одной камере автоматически зажигался порох в другой, а использованная сбрасывалась вниз, чтобы не обременять полета ракеты.

В результате 50 опытов с ракетами, работающими в пустоте, или, точнее, выпускающими свои газы в сильно разреженное пространство, Годдард доказал, что ракета не нуждается для движения во внешней среде и может лететь в безвоздушном пространстве. Сила, увлекавшая ракету в пустоте, была на 20% больше, чем в воздухе нормальной плотности.

С 1920 г. Годдард приступил к испытанию ракет на жидком топливе: на жидком кислороде в качестве окислителя, — на бензине и других углеводородах, в качестве горючего. В декабре 1925 г. была сконструирована ракета с двигателем, работающим на бензине и жидком кислороде. В этом двигателе инертный (невоспламеняемый) газ находился под большим давлением в баке и оттуда по двум трубкам поступал в топливные баки, вытесняя из них бензин и кислород, которые по длинным трубкам подавались в камеру старания, расположенную впереди баков, 16 марта 1926 г. эта ракета поднялась за 2,5 секунды на 56,8 м при скорости до 30 м в секунду.

Другой короткий полет ракеты на жидком топливе (бензин, и кислород) был произведен 17 июля 1929 г, Камера сгорания на этот раз была расположена у хвоста ракеты, что было, по мнению Годдарда, лучшим местом, ввиду того, что ни одна часть ракеты не находится в потоке газов, вылетающих из сопла с большой скоростью и сам поток газов не направлен под каким-либо углом к оси ракеты». Ракета имела диаметр 80 мм и длину 3 м. Она поднялась на 300 м, имея маленький барометр и фотоаппарат.

В 1930 г. ракетами заинтересовался американский летчик Чарльз Линдберг, известный «после своего знаменитого одиночного перелета через Атлантический океан. Благодаря средствам, собранным Линдбергом, а также некоторой субсидии Вашингтонского института Карнеджи Годдард построил вблизи Росвелла (штат Новая Мексика) ракетную станцию. Здесь в 1930-1932 гг. были проведены многочисленные испытания,

Первыми были испытаны камеры сгорания, построенные в Кларкском университете.

После испытаний была выбрана наилучшая камера (диаметр — 146 мм, вес — 2 кг, максимальная тяга — 131 кг, время работы — около 20 секунд). Скорость истечения газов была около 1 500 м в секунду, что соответствует мощности около 1 030 л. с.

Удельная мощность ракетного двигателя (мощность, приходящаяся на 1 кг веса двигателя) достигла более 400 л. с. на килограмм. (Лучшие авиадвигатели дают не более 2 л. с. на килограмм.)

На основе испытаний Годдард построил ракету для полета. Она имела длину 3,36 м и весила 15,3 кг. Подачу топлива в камеру осуществлял сжатый азот, помещенный в особом баллоне.

В первом полете, 30 декабря 1930 г., ракета поднялась на 610 м, достигнув скорости 243 м в секунду (375 км в час).

В дальнейших испытаниях профессор Годдард работал над автоматической устойчивостью ракеты в вертикальном полете. Во время полета ракета находится под действием сил тяги, сопротивления воздуха, веса и инерции. Для устойчивого вертикального полета необходимо, чтобы все силы действовали вдоль оси ракеты. Достаточно небольшого отклонения ракеты, например под действием ветра, и устойчивость нарушается, ракета заворачивает, летит горизонтально и вскоре падает на землю.

Годдард поставил на ракете небольшой жироскоп, связанный с элеронами (плоскими пластинками, служащими рулями). При отклонении ракеты жироскоп должен был повертывать элероны, а ракета благодаря давлению встречного потока воздуха на элероны должна была возвратиться в нормальное положение. Первый, правда неудачный, полет ракеты с гироскопическим устройством состоялся 19 апреля 1932 г.

В дальнейших полетах с жироскопом ракета достигла высоты 1463 м и ушла в горизонтальном направлении почти на 4 км при максимальной скорости 250 м в секунду.

При своих опытах Годдард не стремился к достижению наибольших высот, в первую очередь его интересовал научный результат каждого полета. Поэтому он не пытался с первого полета облегчать конструкцию ракеты и удовлетворялся тем, что она поднималась на 1-2 км. Последние опыты он проводил с ракетой в форме торпеды длиною в 3,6 м и диаметром 22,8 см.

Вес пустой ракеты был 36 кг, вес топлива (бензин и жидкий кислород) — 27 кг. Эта ракета поднялась на 1 220 м. Наибольшей высоты — 2 290 м, — повидимому, достигла ракета, пущенная 31 мая 1935 г.

Американское ракетное общество также исследовало работу ракетных моторов на жидком топливе. Горючим служил спирт, окислителем — жидкий кислород. Чтобы понизить температуру внутри камеры сгорания и этим облегчить режим работы ракетного мотора, предохранив его стенки от слишком быстрого прогорания, испытания производились на спирте, разбавленном водой.

Было испытано пять ракетных моторов. Четыре из них, конструкции Джона Шеста, были изготовлены из стали. Пятый ракетный мотор, из литого алюминия, был сконструирован Вилли Леем. Для испытаний моторов бак для горючего наполнялся спиртом, затем в него нагнетали сжатый азот, с помощью которого давление в спиртовом баке поднималось до 21 атмосферы. Во время испытания одного из пяти моторов давление доводилось до 32 атмосфер. Вслед за наполнением спиртового бака другой бак наполнялся кислородом (кислорода заливалось вдвое больше, чем спирта).

Благодаря нагреванию от внешнего воздуха жидкий кислород, температура которого -180°, начинал испаряться, и давление в кислородном баке постепенно повышалось. Руководители испытаний, закончив наполнение баков топливом, отходили от станка с ракетным мотором и укрывались за специальным прикрытием в 15 м от двигателей. Этим они страховали себя на случай взрыва камеры или баков.

Когда давление в кислородном баке поднималось до 21 атмосферы, длинной веревкой быстро открывали краны для впуска горючего и окислителя в камеру. Одновременно с этим пускался электрический ток, зажигавший своей искрой пороховую трубку, вставленную в сопло камеры сгорания. Спирт, поступая в камеру, смешивался с кислородом и воспламенился горящим порохом. Ракетный двигатель начинал работать. Из-за прикрытия наблюдали работу двигателя и фиксировали кинокамерой показания пяти приборов (время работы двигателя, давление в кислородном и спиртовом баках, давление в камере, реактивную силу).

Продолжительность работы ракетных моторов, испытанных Американским ракетным обществом, составляла 14-16 секунд. Давление в топливных баках по мере расходования спирта и кислорода падало до 9-10 атмосфер, и соответственно с этим давление в камере постепенно понижалось от 15 до 5-7 атмосфер, после чего мотор прекращал работу. В результате многолетних работ Годдарда и других ученых США был создан ракетный двигатель, способный работать несколько раз с продолжительностью непрерывного горения до полуминуты; была достигнута жироскопическая устойчивость, обеспечивающая вертикальный полет ракеты. Для людей, мало знакомых с ракетной техникой и со всей сложностью ее задач, может показаться слишком скромным результат двадцатилетней работы такого крупного ученого, как профессор Годдард. Но это лишний раз подчеркивает, какого упорного труда требует решение задачи ракетного полета. Многие авторы слишком радужными красками описывают предстоящие полеты на ракетах в стратосферу, а тем более полеты на Луну или межпланетные сообщения.

Путь ракетного самолета (см. стр. 22 и 23). После вылета из пускового станка ракетоплан быстро набирает высоту и большую скорость. Когда все топливо сгорит и ракетный мотор прекратит свою работу, ракетоплан переходит на планирующий спуск. Дальность планирования зависит от аэродинамических качеств самолета и от той высоты и скорости, с которой началось планирование.

Башня для испытания ракетных двигателей, построенная вблизи Росвелла в штате Новая Мексика. Подвешенные к раме четыре стальные бочки с водой служат для уравновешения тяги двигателя. Бочки весом 900 кг поддерживаются сильно сжатой пружиной. Во время работы двигателя бочки слегка приподнимаются, и напряжение в пружине ослабевает. На вращающемся барабане записывается растяжение пружины, что дает возможность вычислить тягу двигателя.

Прежде чем осуществить ракетный полет в стратосфере, надо решить целый ряд вопросов: изыскать наивыгоднейшие виды топлива, создать надежный ракетный двигатель с высоким коэфициентом полезного действия, разработать наиболее рациональную конструкцию ракеты, осуществить устойчивый полет ракеты и спуск ее на землю.

Над решением всех этих задач усиленно работают изобретатели и конструкторы во всех странах мира.