Вилли Лей - Ракеты и полеты в космос

Как уже упоминалось, к научно-исследовательской работе в области боевых ракет США приступили в 1940 году. Несмотря на то, что американцы работали самостоятельно, им были знакомы английские модели ракет, поэтому они могли легко избежать любой ошибки, допущенной в Вулвиче. История развития американского ракетостроения уже рассказана людьми, более осведомленными в этом вопросе, то есть теми, кто руководил этой работой и вел ее. Я же ограничусь лишь описанием некоторых технических вопросов и покажу, каким образом они решались американскими инженерами.

Очевидно, изобретение высококачественного порохового ракетного заряда еще не решало всей проблемы; нужно было сделать так, чтобы при использовании его в качестве двигательной установки ракете обеспечивалась равномерная тяга, а этого как раз и нельзя было добиться в ракете на обычном черном порохе. В такой ракете тяга почти внезапно и очень быстро возрастает до определенной величины, скажем до 7 кг, и сохраняется на этом уровне в течение четверти секунды или около этого, затем также быстро падает, пусть до 0,5 кг, и остается на этом уровне в течение еще 1—2 секунд. Проектировщики хотели получить такую ракету, которая быстро развивала бы определенную тягу, сохраняла бы ее некоторое время и затем уже прекращала бы работу. Кривая в графике изменения тяги во времени у такой ракеты должна была быть похожей на профиль длинного плоского здания с наклонными стенами (так называемая кривая с плоским верхом).

Такая кривая тяги может быть получена только в том случае, если истекающие газы ракетного двигателя будут постоянными в отношении как скорости истечения, так и объема (массы) на протяжении всей его работы. Поэтому было необходимо получить такую шашку пороха, которая горела бы ровно. Чтобы понять, в чем здесь дело, представьте, что ваша пороховая шашка имеет форму шара и горит только на поверхности. По мере сгорания этого шара его поверхность становится все меньше и меньше. Поэтому количество генерируемого газа также уменьшается, и кривая тяги идет вниз, Данная проблема осложняется еще и тем, что сгорание происходит в замкнутом пространстве, имеющем только один выход — сопло, в связи с чем всякое повышение давления в камере сгорания приводит к изменению скорости горения ракетного заряда.

Одно из наиболее часто применяемых решений этой проблемы заключается в том, чтобы придать ракетному заряду форму толстостенной трубки, которая горела бы как «вовнутрь» (при этом поверхность горения уменьшается), так и «изнутри» (при этом поверхность горения увеличивается). Таким образом оба процесса должны уравнивать количество выделяющихся газов в течение всего процесса горения. Но добиться такого горения нельзя в пороховом ракетном заряде, который плотно прилегает к стенкам ракеты; его нужно держать в «подвешенном» состоянии (рис. 30).

Рис. 30. Ракеты на твердом топливе.

Вверху — ракета с бронированной пороховой шашкой;

внизу—ракета с пороховой шашкой, горящей по всей поверхности

В Англии это поняли еще в самом начале работ над пороховыми двигателями. Англичане называли такой заряд «свободным». Исследователи в Америке решили по-своему и назвали аналогичный заряд «шашкой с горением по всей поверхности». Для лучшего понимания существа вопроса остановимся на понятиях «шашка», «толщина стенки» и «решетка». Пороховая шашка представляет собой кусок порохового заряда любой формы и размеров. Сейчас имеются шашки длиной в 1 м и весом до 500 г на каждый дюйм их длины (200 г/см). Всякая шашка имеет определенный диаметр, но не он является ее главной характеристикой; поскольку шашки обычно изготовляются полыми, толщина их стенок не менее важна, чем диаметр. За толщину стенки трубчатой шашки принимается ее максимальная толщина. Решеткой называется приспособление, удерживающее шашку в определенном положении.

Прекрасным примером по простоте устройства и характеристикам является современная авиационная 127-мм ракета на твердом топливе, известная под названием «Холи Мозес». На рис. 31 изображены три основные части этой ракеты: боевая головка, ракетная часть (ракетный двигатель) и хвостовая часть со стабилизатором.

Рис. 31. 127-мм авиационная ракета "Холи Мозес"

Пороховая шашка в этой ракете имеет при весьма толстых стенках крестообразное сечение, что делает ее очень удобной для серийного производства. Такая форма сечения шашки обеспечивает ровное горение с незначительным отклонением в количестве образующихся газов. Чтобы получить требуемую скорость горения, некоторые участки шашки могут бронироваться полосками из пластмассы, ограничивающими горение. В очень длинных шашках желательно бронировать только ту часть шашки, которая находится ближе к соплу. Это делается для того, чтобы рядом с соплом не образовывалось слишком много газов, которые могут блокировать газы, выделяющиеся в передней части двигателя, и таким образом разорвать двигатель.

В течение некоторого времени исследователи бились над решением одной весьма любопытной проблемы. Известно, что шашки, изготовленные из двухосновного пороха, не всегда безупречны. Они могут, например, иметь внутренние пустоты, которые приводят к тем же отрицательным последствиям, что и трещины в шашках из черного цороха. Обнаружить такие пустоты было нелегко, тем более, что применяемое для стабилизации горения вещество заставляло пороховой заряд темнеть по мере его старения. Поэтому с большой радостью было встречено сообщение о том, что с помощью карбамита шашки можно делать полупрозрачными. Эти шашки было легче проверять, но на испытаниях оказалось, что каждый второй заряд разрывает двигатель. Темные шашки, которые, возможно, имели крупные- пустоты и дефекты, приводили к меньшему количеству взрывов, чем полупрозрачные. Тщательное изучение показало, что при горении полупрозрачной шашки происходит какой-то неизвестный процесс, который был назван «термитным растрескиванием», потому что частично сгоревшие шашки выглядели так, словно их изъели термиты.

Пришлось провести целую серию исследований, чтобы установить, что происходит в этих шашках. Оказалось, что когда шашка горела, то выделялась не только тепловая, но и световая энергия, которая, проникая в виде лучей внутрь прозрачной шашки, абсорбировалась микроскопическими частицами пыли, вкрапленной в порох. Поглощая лучи, эти частицы нагревались до такой степени, что воспламеняли порох, находившийся рядом с ними. В результате образовывались местные очаги горения, которые и приводили к характерному «растрескиванию» пороха, сопровождаемому взрывами. Именно в силу этих обстоятельств в настоящее время все шашки имеют черный цвет.