книги из ГПНТБ / Феодосьев В.И. Введение в ракетную технику Учеб. пособие

104 Гл. II. Типы ракетных летательных аппаратов и основы их устройства

Обработка данных наблюдений за советскими искусственными

спутниками Земли и космическими ракетами, а также многочислен­ ных записей приборов, установленных на них, позволила получить результаты фундаментального научного значения по исследованию верхних слоев атмосферы и космического пространства; открыть много новых, до сих пор неизвестных закономерностей в области изучения радиации вокруг Земли и в космическом пространстве, изучения верхней атмосферы, исследования межпланетного газа, изучения магнитного поля Земли и Луны, изучения метеорной и микрометеорной опасности, биологических исследований, которые постепенно принимают форму новой науки — космической биологии, одной из главных задач которой является обеспечение безопасно­ сти полета человека в мировом пространстве.

Результаты этих исследований позволяют уже сейчас предви­ деть, какими путями может пойти дальше развитие космических по­ летов.

Первым таким направлением являются систематические поле­ ты спутников вблизи Земли. Дальнейшие работы по созданию искусственных спутников Земли, помимо расширения круга и объ­ ема уже производящихся научных исследований, могут быть направ­ лены также и на решение с помощью спутников ряда прикладных технических задач.

Целесообразно создание искусственных спутников, ориентирован­ ных определенным образом в пространстве. Ориентация нужна для решения многих научных задач. Так, для ряда исследований, связан­ ных с Солнцем, желательно, чтобы спутник был ориентирован на Солнце. Для исследований, связанных с Землей и атмосферой, спут­ ник следует ориентировать так, чтобы одна из его осей была направ­ лена к Земле, а другая совпадала бы с направлением его орбиты. Для астрофизических исследований, видимо, будет необходимо иметь спутник, сохраняющий неизменное положение относительно непо­ движных звезд.

Важнейшим этапом развития космических полетов явится осуществление полетов человека на спутниках, для чего потребуется решение большого числа проблем, связанных с обеспечением без­

а также с обеспечением необходимых условий для жизнедеятель­ ности человека как в период взлета и спуска при действии боль­ ших перегрузок, так и в период полета по орбите в состоянии не­ весомости. Эксперименты с подопытными животными, осущест­ вленные на втором советском искусственном спутнике Земли и при многочисленных полетах геофизических ракет, многократно поднимавших в космос одних и тех же животных, являются пер­

6. Искусственные спутники и освоение межпланетных пространств Ю5

выми значительными результатами в этом направлении, давшими научный материал о воздействиях условий космического полета на живой организм.

Многократно высказывалась идея о возможности использова­ ния системы специальных спутников для ретрансляции телевизи­ онных передач, что могло бы обеспечить дальние передачи на ультракоротковолновом диапазоне без сооружения радиорелейных линий и кабельной сети.

С помощью спутников можно организовать постоянную службу для наблюдения за корпускулярным излучением Солнца, которая сможет обеспечить прогноз важнейших явлений, цроисходящих в верхних слоях атмосферы.

Трудно предсказать сейчас все возможности использования спутников для целей науки и практики подобно тому, как на заре авиации невозможно было предсказать многообразие областей применения и разносторонний прогресс авиации в настоящее время.

Вторым направлением развития космических полетов является решение задач, связанных с полетами к Луне и изучением Луны.

Можно представить себе, что в дальнейшем будет возможен по­ лет ракеты на Луну с посадкой и с последующим возвращением на Землю. Проблема посадки аппарата на поверхность Луны является достаточно сложной. Не меньшие трудности представляет задача по­ следующего старта с Луны и возвращения на Землю.

В еще более отдаленном будущем в процессе освоения Луны может стать возможным создание на Луне специальных станций, по­ добных тем научным станциям, которые организуются в труднодо­ ступных районах Земли, например в полярных областях. Необходи­ мо вместе с тем указать на чрезвычайную сложность подобного пред­ приятия. Осуществление его станет возможным лишь в результате дальнейшего прогресса ракетной техники и решения ряда на­ учных и технических проблем. Но может статься, что проекты, ка­ жущиеся сегодня совершенно фантастическими и несбыточными, осу­ ществятся значительно быстрее, чем это можно представить себе на первый взгляд.

Третьей группой проблем, образующей самостоятельное направ­ ление в развитии космических полетов, являются проблемы, свя­ занные с исследованием околосолнечного пространства и планет солнечной системы.

Одной из целей полетов в пределах солнечной системы явится непосредственное изучение межпланетной среды. Зондирование межпланетного пространства с помощью научной аппаратуры по­ зволит установить плотность межпланетного газа на различных расстояниях от Солнца, определить химический состав межпла­

106 Гл. II. Типы ракетных летательных аппаратов и основы их устройства

нетного газа, даст новые чрезвычайно интересные данные о рас­ пределении интенсивности и составе космического излучения в различных районах солнечной системы, позволит исследовать раз­ личные виды солнечного излучения, исследовать магнитное поле Солнца и его влияние на явления в межпланетной среде.

Особый интерес представляет исследование планет солнечной системы, в первую очередь Венеры и Марса.

Посылка к планетам ракет, снабженных автоматическими при­ борами, позволит исследовать их магнитное поле, пояс радиации, получить детальные изображения их поверхности. Можно будет исследовать атмосферу планет — определить ее плотность, хими­ ческий состав, степень ионизации, а также исследовать структуру поверхности планет и ее температуру. Наконец, заманчивой пред­ ставляется перспектива исследования форм жизни на других пла­ нетах. Полет человека на планеты является делом будущего, од­ нако день этот, безусловно, наступит.

Развитие космических полетов и ракетных летательных аппа­ ратов вызвало к жизни новую отрасль современной техники—кос­ мическую технику, которая должна обеспечить осуществление космических полетов, полетов к Луне и другим планетам.

Объектами космической техники являются, различного рода устройства с научно-измерительной, регистрирующей и передающей аппаратурой, автоматически осуществляющей выполнение програм­ мы наблюдений и передачу на Землю полученных сведений.

Важной проблемой космической техники является проблема дальней и сверхдальней радиосвязи, которая необходима для опре­ деления параметров траекторий, передачи на Землю результатов измерений и сведений о работе аппаратуры, а также для передачи команд с Земли.

При полетах в пределах солнечной системы надо осуществить радиосвязь и передачу изображений на расстояние порядка десят­ ков и сотен миллионов километров. Ввиду этого особое значение приобретает задача создания легкой, малогабаритной и весьма экономичной бортовой радиоаппаратуры, а также мощных пере­ дающих и достаточно чувствительных приемных устройств на Земле.

Вся аппаратура космических ракет и агрегатов должна быть не только максимально легкой и экономичной, но и чрезвычайно надежной, способной безотказно работать в течение многих меся­ цев и даже нескольких лет. Длительность такого порядка является характерной для полетов в пределах солнечной системы, и в этом нет ничего удивительного, если вспомнить продолжительность пе­ риодов обращения планет. Специфика работы аппаратуры в кос­ мосе определяется также воздействием космического излучения и наличием глубокого вакуума, окружающего космический корабль.

в течение длительного периода времени определенного теплового режима. Совершенно необходима разработка для космической тех­ ники надежных и легких источников энергии, преимущественно с ис­ пользованием энергии Солнца.

Глава III

Р А К Е Т Н Ы Е Д В И Г А Т Е Л И , И Х У С Т Р О Й С Т В О И О С О Б Е Н Н О С Т И

РА Б О Т Ы

1.ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

С х е м а п р е о б р а з о в а н и я э н е р г и и

Для создания тяги в двигателе прямой реакции отбрасываемой массе продуктов сгорания необходимо сообщить скорость. Эта скорость получается в результате процессов преобразования хими­ ческой энергии топлива в кинетическую энергию струи газов.

Рассмотрим последовательность процессов, происходящих в двигателе прямой реакции (фиг. 3. 1) на примере жидкостного ра­ кетного двигателя (фиг. 3.2).

Топливо подавляющего большинства ракетных двигателей со­ стоит из двух различных веществ: окислителя и горючего. Эти ве­ щества называются компонентами топлива.

Окислитель содержит в большом количестве кислород или ка­ кой-либо другой окислительный элемент. Горючее состоит в основ­ ном из горючих элементов, способных в процессе химической ре­ акции с окислительными элементами выделять большое количест­ во тепла. Таким образом, топлива ракетных двигателей являются носителями химической энергии (см. фиг. 3. 1).

Подробнее свойства топлива будут рассмотрены в следующей главе.

Компоненты топлива размещаются в баках двигателя, которые составляют одновременно наибольший по своим размерам отсек ракеты — топливный отсек.

Горение топлива и последующее расширение продуктов сгора­ ния * происходит в камере двигателя. Камера двигателя состоит

*Термин «продукты сгорания», широко используемый при описании работы

иисследовании тепловых двигателей, применяется и к реактивным двигателям. Следует оговориться, что в последнем случае он не является точным, так как

молчаливо предполагает полное завершение процесса горения (сгорание) топли­

ва. В ракетных двигателях и особенно в ЖРД процесс горения вследствие диссоциации не завершается полностью даже в выходном сечении сопла. Поэто­ му более правильно говорить не «продукты сгорания», а «продукты горения». Однако, следуя установившейся традиции, мы не меняем этот термин, но вкла­ дываем в него несколько иной смысл. Сказанное относится также к термину «ка­ мера сгорания».

из камеры сгорания, на головке которой размещены топливные форсунки, и из сопла (фиг. 3.3).

До начала сгорания топливо должно пройти несколько подгото­ вительных стадий.

Прежде всего топливо должно быть сжато до давления, больше­ го, чем давление в камере сгора­ ния, иначе оно не сможет посту­ пить туда. Сжатие и подача топ­ лива в двигателе осуществляются системой подачи, включающей в себя агрегат, создающий давле­ ние (например, баллоны со сжа­ тым воздухом, турбонасосный агрегат и т. д.), а также систему клапанов,регуляторов и трубопро­ водов, обеспечивающих надежную работу и возможность управления двигателем.

в значительной мере превращается в тепло, которое расходуется на увеличение теплосодержания (энтальпии) продуктов сгорания.

Основная часть тепла, выделенного в камере сгорания (т. е. часть теплосодержания продуктов сгорания), в двигателе прямой реакции

НО Гл. III. Ракетные двигатели, их устройство и особенности работы

превращается непосредственно в кинетическую энергию истекаю­ щих из сопла газов. Это происходит как следствие расширения продуктов сгорания при движении их по соплу.

Фиг. 3.2. Схема жидкостного ракетного двигателя.

Эффективность работы ракетного двигателя как тепловой ма­ шины определяется эффективностью протекания процессов горения и расширения, от совершенства которых зависит величина доли химической энергии топлива, превращенной в кинетическую энер­ гию.

5 6 1 8

Направленное истечение газов из сопла приводит, как уже го­ ворилось, к возникновению силы тяги. При перемещении ракетного