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

емы в полете. Для того чтобы подмять груз в один кило­ грамм, необходим наполненный водородом шар, объемом примерно в один кубический метр. Следовательно, чтобы поднять груз в одну тонну, необходимо иметь шар объ­ емом около 1000 м3.

Ввиду этих недостатков серьезное внимание было об­ ращено на летательные аппараты тяжелее воздуха. К концу ХТХ столетия возможность полетов на таких ап­ паратах была доказана, и идея полета на аппаратах тя­ желее воздуха победила окончательно. Оторвался от земли первый самолет, который построил наш соотечест­ венник А. Ф. Можайский. Это было в 1882 году. Через

законах взаимодействия воздуха с движущимися -в нем телами.

В последнее десятилетие вновь усилилось внимание к аппаратам легче воздуха—аэростатам. Конечно, эти ап­ параты не заменят летательных аппаратов тяжелее воз­ духа. Но они могут выполнять другие задачи, например астрономические наблюдения.

Так дирижабли могут применяться для транспорти­ ровки грузов в труднодоступные места, при строительст­ ве дорог, мостов, трубопроводов и т. д. Доказано, что экономически более выгодно применение в этих целях ди­ рижаблей, а не аппаратов тяжелее воздуха.

Работы над усовершенствованием аппаратов легче воздуха не прекращается и поныне. Возможно, в недале­ ком "будущем эти аппараты найдут более широкое при­ менение.

В создании летательных аппаратов был пройден путь от воздушных змеев к аэростатам, орнитоптерам и лета­ ющим моделям, от самолетов Можайского и братьев Райт к реактивной авиации, от увеселительных ракетфейерверков к межконтинентальным баллистическим ракетам, искусственным спутникам Земли и космическим кораблям, летящим к Луне и планетам Солнечной сис­ темы.

Каковы же принципы полета летательных аппаратов в атмосфере?

Полет летательного аппарата в атмосфере основан на преодолении силы земного тяготения, т. е. на получении такой силы, которая, уравновесив этот аппарат в возду­

10

хе, могла бы преодолеть сопротивление воздуха, возни­ кающее при его движении.

Известны три принципа, три способа летания: аэро­ статический, аэродинамический и баллистический.

Аппараты, полет которых основан на аэростатическом принципе, называются летательными аппаратами легче воздуха, а их полет — воздухоплаванием. Законы полета таких аппаратов изучает наука — аэростатика. Летатель­ ные аппараты легче воздуха имеют плотность меньше плотности воздуха. Полет таких аппаратов основан на законе Архимеда: на погруженное в жидкость (воздух) тело действует подъемная сила, равная весу вытесненно­ го воздуха. К аппаратам легче воздуха относятся воз­ душные шары, аэростаты. Аэростаты, которые могут ле­ тать на больших высотах, называются стратостатами. Управляемые аэростаты, оборудованные двигателями для их управления, называются дирижаблями. Оболочки воздушных шаров, аэростатов наполняются инертным газом легче воздуха (например, водородом).

Аэродинамический способ летания заключается в том, что летательный аппарат удерживается в воздухе подъ­ емной силой, возникающей при взаимодействии аппара­ та с воздушным потоком.

Баллистический принцип — это полет свободно бро­ шенного тела, который происходит в основном под дей­ ствием силы земного притяжения — гравитационного поля Земли. Этот полет совершается за счет энергии, предварительно накопленной летательным аппаратом. Каким образом?

Летательный аппарат, использующий баллистический принцип стартует, набирает высоту и разгоняется с по­ мощью реактивного двигателя который работает короткое время и сообщает аппарату необходимую для дальнейшего полета энергию. По окончании работы дви­ гателя начинается свободный баллистический полет. Баллистический полет может совершаться и в плотных слоях атмосферы и за ее пределами, в космосе.

В чем же заключается принцип работы реактивного двигателя?

Автомобиль, теплоход, самолет, человек могут дви­ гаться, только отталкиваясь от чего-либо. Автомобиль движется, отталкиваясь колесами от полотна дороги, са­ молет летит, отталкиваясь от воздуха, человек идет, от­

11

Из приведенной формулы можно сделать следующие выводы:

1. Чем больше расход топлива в секунду, т. е. чем больше масса вытекающих газов, тем больше сила тяги.

2.С увеличением скорости вытекающих из сопла дви­ гателя газов сила тяги увеличивается.

3.С подъемом ракеты на высоту сила тяги увеличи­ вается, так как атмосферное давление уменьшается; в космосе, где отсутствует атмосфера, атмосферное давле­ ние будет равно нулю и, следовательно, сила тяги (при прочих равных условиях) будет наибольшей.

Как видно из формулы, сила тяги складывается из двух составляющих.

вует на внутреннюю поверхность двигателя. Она называ­ ется реактивной силой.

Вторая составляющая Sa(pa—Рп) — это равнодейст­ вующая сил давления, которые действуют на наружную поверхность ракеты в результате перепада давления на срезе сопла (ра—рш).

Реактивная сила составляет основную часть силы тяги.

Если аэродинамический принцип летания можно использовать только в условиях атмосферы, так как лета­ тельный аппарат отталкивается от воздуха, то баллисти­ ческий принцип используется и в космическом простран­ стве, так как летательный аппарат отталкивается от вытекающих из двигателя газов. В космическом прост­ ранстве реактивный двигатель используется даже более эффективно, чем в атмосфере, так как в космосе он не испытывает сопротивления воздуха.

К летательным аппаратам, использующим баллисти­ ческий принцип, относятся баллистические ракеты и кос­ мические корабли.

Итак, мы подошли к вопросу определения науки, изучающей законы взаимодействия воздуха с движущи­ мися в нем летательными аппаратами. Эта наука назы­ вается аэродинамикой.

Аэродинамика — это наука, изучающая механическое движение воздуха и воздействие его на тела, которые он обтекает.

13

Термин «аэродинамика» состоит из двух греческих слов: «аэр» — воздух и «динамнс» — сила. Следователь­ но, само название говорит о том, что эта наука изучает силы, возникающие при движении тел в воздухе.

Известно, что всякое движение относительно. Воздух также движется относительно, например, относительно твердых тел. При таком движении между воздухом и те­ лом возникает силовое воздействие. Аэродинамика изу­ чает его и устанавливает величины сил, действующих как на воздух, так и на тела, которые ои обтекает.

Кроме того, аэродинамика рассматривает действие мощных ударных волн, аэродинамический нагрев ракет (любых летательных аппаратов) при полете их в воздухе или при возвращении их в атмосферу из космоса, опре­ деляет перегрузки при спуске ракет на поверхность Зем­ ли и т. д.

При изучении законов аэродинамики широко приме­ няется принцип обратимости, который заключается в следующем: движется ли тело в неподвижном воздухе или, наоборот, движется воздух, обтекая неподвижное тело с той же скоростью, результат взаимодействия тела с воздухом — т. е. аэродинамические силы, — в том и в другом случае будет одинаков.

Это положение обосновывается тем, что при устано­ вившемся поступательном движении тела в воздухе дей­ ствующие на него силы зависят только от относительной скорости движения тела и воздушного потока (принцип относительности Галилея).

С принципом обратимости в этой книге мы будем встречаться часто при рассмотрении физических основ аэродинамики, так как при изучении многих положений аэродинамики удобнее рассматривать не движение раке­ ты (летательного аппарата) в неподвижном воздухе, а поток воздуха, набегающий на неподвижную ракету. Этот принцип также широко используется при испытании летательных аппаратов пли их моделей в аэродинамиче­ ских трубах.

Обычно аэродинамику делят на теоретическую, экспе­ риментальную и прикладную.

Теоретическая аэродинамика, опираясь на опытные данные, исследует физическую сущность явлений, проис­ ходящих при взаимодействии воздуха с телами. Она ус­ танавливает закономерности при движении тел в возду­

14

хе. Как правило, эти закономерности очень сложны и учесть их все не представляется возможным. Поэтому ряд задач современной аэродинамики упрощают, если эти упрощения позволяют получить точность результатов, приемлемую для практических целей.

В теоретическую аэродинамику большой вклад внес­ ли русские ученые. Член Российской Академии наук Л. Эйлер вывел уравнения течения жидкости, названные впоследствии его именем. Этими уравнениями было по­ ложено начало гидроаэродинамики.

Большой вклад в науку о законах движения артил­ лерийских снарядов в (воздухе — баллистику — во второй половине прошлого столетия внесли русские ученые Н. В. Майевский и его ученик Н. А. Забудский.

Исключительно большое значение для развития об­ щей аэродинамики имеют труды выдающегося русского ученого Н. Е. Жуковского, которого В. И. Ленин назвал «отцом русской авиации». Основоположником газовой динамики стал советский ученый — ученик Н. Е. Жу­ ковского С. А. Чаплыгин, создавший теорию течения га­ за с большими скоростями. Крупный вклад в аэродина­ мику внес немецкий ученый Л. Прандтль, который, в ча­ стности, создал теорию пограничного слоя.

Математическому исследованию полета ракет посвя­ тил свои труды русский ученый И. В. Мещерский. Боль­ шое значение имеет выведенное им уравнение движения точки переменной массы.

Глубокое научное обоснование идея полета с помо­ щью ракет получила в трудах К. Э. Циолковского, кото­ рый является одним из основоположников теории реак­ тивного движения. В своих трудах К. Э. Циолковский впервые указал на ракету как на средство межпланет­ ных полетов, разработал основные законы движения ра­ кет и предложил идею создания многоступенчатых ра­ кет.

Велик вклад советских ученых в современную аэро­ динамику, особенно М. В. Келдыша, С. А. Христиановича, Н. Е. Кочина, А. А. Фридмана, Ф. А. Франкля, А. А. Дородницына, В. П. Ветчпикина, А. С. Лейбензона и др.

Экспериментальная аэродинамика изучает опытным рутем взаимодействие между воздухом и телом. Опыты

15

проводятся главным образом в аэродинамических тру­ бах. *

В развитии экспериментальной аэродинамики боль­ шую роль сыграл открытый в январе 1905 г. в России первый в мире Аэродинамический институт, а также аэродинамическая лаборатория при Московском высшем техническом училище, созданная по инициативе Н. Е. Жуковского.

Кроме аэродинамических труб, для эксперименталь­ ных исследований обтекания тел воздухом используются также ракетные тележки, баллистические трассы и т. д. Для регистрации процессов широко применяется фото- и киноаппаратура. Для изучения обтекания ракет (лета­ тельных аппаратов) воздухом в естественных условиях проводятся летные испытания.

Прикладная аэродинамика занимается практическим использованием результатов теоретической и эксперимен­ тальной аэродинамики при создании летательных аппа­ ратов.

Взависимости от скорости летательного аппарата из­ меняется качественная картина обтекания его воздухом. При скорости летательного аппарата, близкой к скорости звука, на его полет оказывает влияние сжимаемость воз­ духа; сопротивление воздуха резко возрастает. А при скорости полета, равной скорости звука, скачком изменя­ ются параметры воздушного потока: скорость набегаю­ щего потока уменьшается, давление и плотность увели­ чиваются. При этом температура воздушного потока, ок­ ружающего летательный аппарат, резко повышается.

Всвязи с этим, раздел аэродинамики, изучающий движение летательных аппаратов в атмосфере при ско­

ростях, близких к скорости звука, при звуковых скоро­ стях и превышающих их, называют аэродинамикой боль­ ших скоростей или газодинамикой.

Условия обтекания тел сверхзвуковым потоком, име­ ющим различные сверхзвуковые скорости, также имеют свои особенности. Поэтому аэродинамика больших ско­ ростей — газодинамика делится на несколько разделов.

Обтекание тел при очень больших скоростях, назы­ ваемых гиперзвуковыми скоростями, которые в пять и бо-

* Первая аэродинамическая труба была создана п конце XIX столетия в России К- Э. Циолкодскищ.

16

лики, молекулы движутся в полном беспорядке. Вот по­ чему воздух (как и вообще газы) свободно обтекает тела в любом направлении. В одном кубическом сантиметре воздуха .находится огромное количество молекул — при­ мерно 2,5 ■ 1019. Размеры молекул чрезвычайно малы, приблизительно 1•1СН8 см.

Молекула, находясь в хаотическом движении, до столкновения с другой молекулой при указанных усло­ виях пробегает очень малый путь — примерно 9- 10_6 см. Этот путь называется свободным пробегом молекул. Среднее расстояние между молекулами в 10 раз больше размера самой молекулы, следовательно, средний объем пространства, на который приходится одна молекула, примерно в 1000 раз больше самой молекулы.

Скорость движения молекул воздуха (газов) достига­ ет сотен, а иногда п тысяч метров в секунду. Каждая мо­ лекула движется прямолинейно и равномерно до тех пор, пока не столкнется со следующей молекулой или с по­ верхностью тела, к которому примыкает воздух. При столкновении величина и скорость движения меняются, молекула снова движется прямолинейно и равномерно до нового столкновения. Движение молекул непрерывно. Каждая молекула в обычных условиях имеет до 7,5 мил­ лиардов столкновений в секунду.

Несмотря на то, что средний пробег молекул в срав­ нении с самой молекулой большой, практически можно считать, что молекулы воздуха прилегают друг к другу и давят на поверхность предметов, с которыми они соп­ рикасаются как сплошное тело. Поэтому при аэродина­ мических расчетах полагают, что воздух является сплош­ ной средой. Но это относится только к нижним слоям атмосферы, плотным ее слоям.

С подъемом на высоту плотность воздуха уменьшает­ ся, количество молекул в одном кубическом сантиметре сокращается, а свободный пробег каждой молекулы уве­ личивается.

На высоте 10 км от поверхности земли количество мо­

ском сантиметре еще велико, а свободный их пробег мал,

и поэтому воздух на этой высоте также считается епдощ-

18

ной средой. На высоте около 120 км от поверхности зем­ ли количество молекул в одном кубическом сантиметре уменьшается до 6-1012, а свободный пробег молекул уве­ личивается до 140 см.

В этом случае длина свободного пробега молекул уже соизмерима с размерами обтекаемого тела и может быть больше его. Поэтому в верхних слоях атмосферы на высоте 100— 120 км от поверхности земли, где свободный пробег молекул очень большой, воздух уже нельзя счи­ тать сплошной средой. Воздушную среду в этом случае считают пространством, заполненным отдельными моле­ кулами, которые сталкиваются с поверхностью летатель­ ного аппарата. Аэродинамические силы при этом возни­ кают не в результате встречи поверхности летательного аппарата со сплошной воздушной массой, а в результате взаимодействия с поверхностью аппарата отдельных мо­ лекул воздуха.

Четкое понятие о воздухе как сплошной или не сплош­ ной среде в аэродинамике имеет исключительно большое значение, так как методы аэродинамических расчетов и результаты их различны. Например, аэродинамические силы и аэродинамический нагрев при одной и той же ско­ рости полета в сплошной среде значительно больше, чем в несплошной. При этом следует отметить, что определе­ ние аэродинамических характеристик в сплошной среде представляет меньшие трудности, чем в несплошной среде.

Строение жидкости иное. Здесь молекулы находятся в непосредственной близости друг к другу, силы взаимного притяжения между ними больше, чем в газах (воздухе), и поэтому они не могут так свободно передвигаться и об­ текать тела в любом направлении, как в газах. 14о силы взаимного притяжения в жидкостях еще не так велики, чтобы молекулы не могли отрываться друг от друга, и поэтому жидкости принимают форму тех сосудов, в кото­ рых они находятся.

В твердом теле расстояния между молекулами еще меньше, чем в жидкостях; здесь молекулы практически находятся в неизменном положении друг относительно друга. Движение молекул в твердых телах сказывается только в том, что молекулы колеблются около положе­ ния равновесия. Отсутствие свободных перемещений мо­ лекул делает тело твердым.

19