книги из ГПНТБ / Киселев, С. П. Ракета в воздушном океане

Ракетные тележки

Для аэродинамических исследований ракет и самоле­ тов применяют ракетные тележки (рис. 31).

На местности прокладывают рельсовый путь длиной в несколько километров. По нему при помощи ракетных двигателей с большой скоростью движется тележка с ра­ кетой. Двигатели применяются как пороховые, так и жидкостные. Пороховые двигатели (их может быть не­ сколько) устанавливаются непосредственно на тележке с ракетой, а жидкостные — «а отдельной тележке, которая выполняет роль толкателя основной тележки.

Испытываемая ракета прикрепляется на тележке к аэродинамическим весам, измеряющим аэродинамиче­ ские силы и моменты, действующие на нее во время дви­ жения.

Скорость ракетных тележек достигает 900 м/с и более. Такой скорости не могут выдержать ян одни колеса. По­ этому тележки вместо колес имеют башмаки, которые обхватывают головки рельсов и скользят по ним. Поверх­ ность башмаков, соприкасающихся с рельсами, делается из очень прочного сплава •— стеллита — и обильно сма­ зывается.

Для увеличения срока службы башмаков в них встав­ ляются сменные вкладыши, которые при изнашивании заменяются. Исследования вкладышей после истирания показывают, что башмаки скользят по слою расплавлен­ ного металла. При движении тележки за башмаками ви­ ден огненный хвост длиной до 3 м.

Трудной проблемой является остановка ракетной те­ лежки, так как при движении с такой большой скоро­ стью обычные тормоза применять нельзя — они сгорят. Поэтому ракетные тележки тормозятся при помощи ра-

Рис. 31. Ракетная тележка

90

кетных двигателей, включаемых в конце пути. Реактив­ ная сила этих двигателей направлена в сторону, противо­ положную движению тележки.

Применяется и другой способ торможения — при по­ мощи водяного тормоза. Между рельсами на последнем километре пути устраивается желоб с водой. К тележке снизу прикрепляется заборник воды, который при движе­ нии тележки захватывает воду и поворачивает ее на угол от 90 до 180° в зависимости от конструкции тормоза. Так как вода обладает большой теплоемкостью, тележки (особенно башмаки) при торможении сильно не нагрева­ ются. Впереди тележки при торможении выбрасываются сильные струи воды. Торможение происходит за счет по­ тери кинетической энергии тележкой на пропускание во­ ды через заборник, поворот воды и нагрев.

Преимущество ракетных тележек перед аэродинами­ ческими трубами заключается в том, что испытания на тележках происходят в более реальных условиях, по­ скольку ракета обдувается свободным потоком воздуха, не подвергающимся влиянию так называемого эффекта стесненности потока, вызываемого наличием стенок аэро­ динамической трубы.

На ракетных тележках можно испытывать ракеты и самолеты в натуральную величину при сверхзвуковых скоростях, что невозможно сделать в аэродинамических трубах из-за их малых размеров.

Измерять различные величины на тележке удобнее, так как доступ к испытываемой ракете открыт, тогда как в аэродинамических трубах рабочая часть закрыта.

При помощи ракетных тележек можно производить такие эксперименты при сверхзвуковых скоростях, кото­ рые в аэродинамических трубах провести невозможно. К подобным экспериментам можно отнести, например, запуск экспериментальных ракет. В этом случае тележка имитирует самолет (рис. 32), с которого предполагается запустить исследуемую ракету.

Ракетные тележки позволяют изучать влияние пере­ грузок на живой организм, определять эффективность боевых частей ракет, отрабатывать взрыватели, системы управления и стартовые устройства, исследовать ряд других вопросов.

Однако ракетные тележки не могут заменить аэроди­ намические трубы, они лишь дополняют их. Причина это-

Рис. 32. Т ел еж к а имитирует сам о л е т при испытании ракеты

го — слишком малая продолжительность эксперимента на ракетных тележках — всего несколько секунд. При такой малой продолжительности эксперимента нельзя исследовать влияние аэродинамического нагрева на конструкцию ракет, так как они яе успевают нагреться.

Для проведения продолжительных экспериментов в настоящее время за рубежом проектируются замкнутые железнодорожные пути. Ракетная тележка движется по кругу, и продолжительность испытаний зависит только от времени работы ракетных двигателей, установленных на тележке.

При движении по кругу возникает большая центробежяая сила. Чтобы под действием этой силы тележка не опрокинулась, необходимо устанавливать сбоку допол­ нительный рельс, по которому будет скользить третий башмак, охватывающий головку рельса и предохраняю­ щий тележку от опрокидывания.

При движении по круговому рельсовому пути ракет­ ная тележка не нуждается в тормозах, остановка произ­ водится за счет сил трения.

92'

В США существует трасса (испытательный центр ВВС в Харрикейн-Меса), на которой тележка служит только для разгона испытываемой ракеты. Сами испыта­ ния проводятся во время свободного падения ракеты. С этой целью они выпускаются с тележки над обрывом глубиной 460 м, после чего объекты испытаний опуска­ ются на дно обрыва на парашютах.

Аэробаллистические трассы

Аэробаллистические трассы предназначены для изу­ чения траектории полета ракет (чаще их моделей), для определения характеристик их рассеивания, для расчета сил и моментов, действующих .на ракету по данным опы­ тов.

Такие трассы прокладывают или в закрытых помеще­ ниях или на открытой местности (рис. 33). Вся трасса измеряется по длине, и на ней через определенные рас­ стояния ставятся картонные щиты или щиты из другого легко пробиваемого материала. В начале трассы ставит­ ся специальная установка — пушка, из которой выстре­ ливается (запускается) модель. Модель, пролетая вдоль трассы, пробивает картонные щиты. Изучая эти пробои­ ны, устанавливают вертикальное и горизонтальное отк­ лонения модели.

Рис. 33. Аэробаллнстическая трасса

93

Г л а в а IV

ОСВЕРХЗВУКОВЫХ СКОРОСТЯХ ПОЛЕТА РАКЕТ

ИТЕЧЕНИИ ГАЗОВ В СОПЛАХ

Особенности сверхзвукового полета

Расскажем о принципиальном различии движения ра­ кет с дозвуковыми и со сверхзвуковыми скоростями.

Это различие связано с законами распространения слабых возмещений — звуковых волн. Такие возмуще­ ния распространяются со скоростью звука.

Чтобы яснее представить физическую картину разли­ чия дозвукового и сверхзвукового полетов, возьмем то­ чечный источник колебаний (возмущений) воздуха.

Если этот источник неподвижен, то звуковые волны от него распространяются в виде 'концентрических сфери­ ческих поверхностей (рис. 34, а). За время t волна про­ ходит во все стороны расстояние, равное произведению скорости распространения звука а на время движения волны.

Если источник звуковых волн движется, то симметрия при распространении волн нарушается.

Рассмотрим три случая.

1. Источник звуковых волн движется со скоростью v меньшей скорости звука (см. рис. 34, б). Он последова­ тельно занимает ряд положений, разделенных интерва­ лом в 1 с. Следовательно, за 6 с звуковая волна, которая начала распространяться от источника, когда он нахо­ дится в положении 0, проходит расстояние, равное 6а.

95

Рис. 34. Распространение слабых возмущений (звуковых волн):

а —источник звуковых волн неподвижен; б—источник звуковых воли движет­

ся со скоростью, меньшей скорости звука; б—источник звуковых волн дви­ жете» со скоростью звука; г—источник звуковых волн движется со скоростью* превышающей скорость звука

Звуковые волны в этом случае, как и при неподвиж­ ном источнике, распространяются во все стороны от ис­ точника, и наблюдатель, находящийся впереди него, ус­ лышит звук прежде, чем над ним пролетит источник звука.

2. Источник звуковых волн движется со скорост звука (см. рис. 34, в). Пространство при этом можно разделить на невозмущенную часть, расположенную впе­ реди источника звука, и возмущенную часть, располо­ женную за источником. В невозмущенноп части звуко­ вых волн нет, они распространяются только в плоскости источника и позади него.

В данном случае наблюдатель услышит звук в тот момент, когда до него долетит источник звуковых волн.

96

Плоскость, которая разделяет невозмущенную и воз­ мущенную части пространства, называется граничной полной слабых возмущений.

3. Источник звуковых волн движется со скоростью, превышающей скорость звука (см. рис. 34,г). В этом случае он обгоняет звуковые волны, которые остаются позади источника, а граничная волна является кониче­ ской поверхностью. Линии АБ и АВ образуют область,

.которая представляет собой конус, называемый конусом слабых возмущений, или конусом Маха.

В этом случае звук будет услышан тогда, когда ис­ точник уже пролетит над наблюдателем.

Следовательно, при дозвуковых скоростях ракеты звуковые волны, отходящие от каждой точки ее поверх­ ности, обгоняют ракету, «предупреждая» находящийся впереди воздух о ее приближении. Частицы воздуха на­ чинают колебаться, и поэтому воздух перед ракетой сжимается незначительно, он как бы освобождает место для движущейся ракеты и она сравнительно легко прео­ долевает его сопротивление.

При сверхзвуковых скоростях ракеты звуковые вол­ ны отстают от ракеты. Перед ракетой звуковых колеба­ ний нет. В этом случае перед ракетой происходит силь­ ное сжатие воздуха. Чем выше сверхзвуковая скорость ракеты, тем сжатие больше. Сжатую среду воздуха ра­ кете преодолеть значительно труднее. Чем больше сверх­ звуковая скорость источника возмущений, тем угол, об­ разующий конус слабых возмущений, меньше.

Подобное явление можно наблюдать при движении, например, катера по поверхности воды, когда он движет­ ся со скоростью, превышающей скорость распростране­ ния волн по поверхности воды. В этом случае при движе­ нии катера образуется волна в виде клина. Эта волна является огибающей круговых волн. С увеличением ско­ рости катера угол клина уменьшается.

Одна особенность связана с увеличением скорости пото­ ка, а другая — с торможением его.

97

При дозвуковых скоростях потока относительное из­ менение скорости по абсолютной величине больше, чем относительное изменение плотности. Поэтому для увели­ чения скорости воздушного потока, например, в два ра­ за, необходимо уменьшить сечение трубы несколько меньше, чем в два раза. Почему? Сечение трубы умень­ шается не в два, а несколько меньше, чем в два раза? Тут сказывается сжимаемость воздуха.

Для увеличения скорости водяного потока в два раза сечение трубы необходимо уменьшить в два раза потому,, что вода практически несжимаема.

Сжатие воздуха при дозвуковых скоростях хотя и сла­ бо, но уже проявляется. Чем скорость потока ближе к скорости звука, тем свойство сжимаемости воздуха про­ является сильнее. Поэтому для увеличения скорости воз­ душного потока в два раза (при малых скоростях пото­ ка) сечение трубы следует уменьшить несколько меньше,, чем в два раза.

Положение меняется при сверхзвуковых скоростях, при которых сжимаемость воздуха сказывается уже сильно.

В этом случае плотность воздуха уменьшается быст­ рее, чем возрастает скорость потока. К чему это приво­ дит? Это приводит к тому, что для увеличения скорости сверхзвукового воздушного потока сечение трубы надо не уменьшать, как для водяного потока, а увеличивать.

Итак, если увеличение скорости дозвукового потока1 достигается в суживающейся трубе, то увеличение скоро­ сти сверхзвукового потока достигается в расширяющей­ ся трубе.

Установлено, что самая большая скорость воздушно­ го потока, которую можно получить в суживающейся трубе, равна скорости звука.

Сверхзвуковая же скорость может быть получена только в расширяющейся трубе.

Рис. 35. Сопло Лаваля (продольный раз­ рез):

У—критическое сечение; 2— выход газов

98

Сверхзвуковую скорость получил в конце прошлого столетия в сопле специальной формы шведский ученый Лаваль, работавший над усовершенствованием паровой турбины. Это сопло, названное соплом Лаваля, показано

•на рис. 36 в продольном разрезе.

Если через такое сопло продувать газ, имеющий боль­ шую разность давлений на входе и выходе, то в сужива­ ющейся части сопла газ можно разогнать до скорости, равной местной скорости звука, а в расширяющейся час­ ти получить сверхзвуковую скорость. Самое узкое сече­ ние сопла называется критическим сечением.

Сопло Лаваля широко используется в ракетной тех­ нике для получения больших скоростей истечения газов из двигателя.

Свойства сжимаемой среды наглядно иллюстрируют­ ся приведенной табл. 3.

Таблица 3

СВОЙСТВО СЖИМАЕМОЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ

Здесь v—скорость потока; р—давление в потоке; Т—температу­ ра потока; р—плотность среды.

99