Страницы истории науки и техники

Рискуя рассказывать читателю об уже хорошо известных ему предметах, мы все-таки скажем несколько слов о ракетном двигателе. Дело в том, что ракета — единственное средство для полетов в космическое пространство. Ракета — это летательный аппарат, принцип работы которого — следствие третьего закона механики Ньютона: закон сохранения импульса. На рис. 58 приведена простейшая схема устройства ракеты. Поскольку ракета космического двигателя предназначена для полетов в очень разреженном и практически полностью безвоздушном пространстве, она должна «нести с собой» не только топливо ¡(горючее), но и окислитель, каковым в обычных условиях (но не в ракетах космического двигателя!) является кислород воздуха.

В настоящее время наибольшее применение получило жидкое топливо и окислители, а также твердое топливо, содержащее окислитель в своем составе (типа пороха). Отсюда возникли термины ЖРД — жидкостный ракетный двигатель и РДТТ — твердотопливный ракетный двигатель. В качестве жидкого горючего в настоящее время чаще всего применяются керосин, диметилгидразии несимметричный Н₂N — N(CH₃)₂, гидразин N₂H₄, водород жидкий, аммиак жидкий и некоторые другие, а в качестве жидких окислителей — кислород жидкий, четырехокись азота N₂O₄, азотно-кислотные ракетные окислители (растворы окислов азота в азотной кислоте), перекись водорода Н₂O₂ и некоторые другие.

Как видно из рис. 58, ракета имеет два основных элемента: камеру сгорания и сопло. Существуют различные конструкции ракет, но любая из них имеет эти два обязательных элемента. При пуске ракеты с ЖРД в камеру сгорания начинают поступать топливо и окислитель. В результате горения топлива образуются продукты сгорания, обладающие высокой температурой: химическая энергия топлива превращается в тепловую. Продукты сгорания вследствие разности давлений в камере и во внешнем пространстве с большой скоростью вытекают через сопло наружу — происходит преобразование тепловой энергии в механическую (кинетическую) энергию струи газа (продуктов сгорания). Вытекающая, как уже сказано, с большой скоростью, достигающей 3000–4500 м/с, струя газов создает, согласно закону сохранения импульса, реактивную силу тяги. В этом вся суть дела. Ракета, которой в космическом пространстве «не от чего отталкиваться», движется в результате образующейся реактивной силы.

Чрезвычайно важно отметить, что скорость, развиваемая ракетой (а вместе с ней и всем космическим летательным аппаратом) на активном участке пути, т. е. на том сравнительно коротком участке, пока работает ракетный двигатель, должна быть достигнута очень и очень высокая.

Существует понятие так называемых космических скоростей: первой, второй и третьей. Первой космической скоростью называется такая скорость, при достижении которой тело (космический аппарат), запущенное с Земли, может стать ее спутником. Если не учитывать влияния атмосферы, то непосредственно над уровнем моря первая космическая скорость составляет 7,9 км/с и с увеличением расстояния от Земли уменьшается. На высоте 200 км от Земли она равна 7,78 км/с. Практически первая космическая скорость принимается равной 8 км/с.

Для того чтобы преодолеть притяжение Земли и превратиться, например, в спутник Солнца или достигнуть какой-нибудь другой планеты Солнечной системы, запускаемое с Земли тело (космический аппарат) должно достигнуть второй космической скорости, принимаемой равной 11,2 км/с.

Третьей космической скоростью у поверхности Земли телу (космическому аппарату) необходимо обладать в том случае, когда требуется, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и Солнца и покинуть Солнечную систему. Третья космическая скорость принимается равной 16,7 км/с.

Рис. 59. Схема полета «Зонда-6» с облетом Луны

Штриховая линия — орбита спутника и траектория движения без коррекции.

Космические скорости по своему значению огромны. Они в несколько десятков раз превышают скорость звука в воздухе. Только из этого ясно видно, какие сложные задачи стоят в области космонавтики.

Большое значение имеет расчет траекторий полета космических аппаратов, в котором должна преследоваться основная цель — максимальная экономия энергии. При расчете траектории полета космического аппарата необходимо определять наиболее выгодное время и по возможности место старта, учитывать аэродинамические эффекты, возникающие в результате взаимодействия аппарата с атмосферой Земли при старте и финише, и многое другое.