Реактивные двигатели

И. А. МЕРКУЛОВ. Редакция проф. К. Л. БАЕВА

Авиация в наше время достигла необычайного развития. С каждым годом все более и более увеличивается скорость самолетов. Лучшие гоночные машины могут развивать теперь скорость до 705 км в час (рекорд 1933 г.).

Однако при таких скоростях воздух оказывает самолету громадное сопротивление. Чтобы преодолеть это сопротивление, необходимо снабжать аэропланы чрезвычайно мощными моторами и расходовать большое количество топлива. Например быстроходные самолеты, предназначенные для состязания на кубок Шнейдера, имеют наилучшую удобообтекаемую аэродинамическую форму. И все же, если скорость такого самолета увеличить до 340 м в секунду (1 200 км в час), сопротивление воздуха настолько возрастет, что мощность мотора должна быть не меньше 30 тыс. л. с. Применять моторы такой мощности авиация еще не имеет никакой возможности.

Уменьшить огромное сопротивление воздуха можно лишь при полете на больших высотах, где атмосфера значительно разряжена и следовательно оказывает меньшее сопротивление движению самолета. Нужно перейти от полетов с большой скоростью в нижних слоях атмосферы к полетам на больших высотах (от 12 км и выше), или, как говорят от гиперавиации к суперавиации. В верхних слоях можно сравнительно легко достичь скорости в 2—3 тыс. км в час.

В ряде стран уже ведутся опыты с самолетами, предназначенными для полетов в высших слоях атмосферы. В 1932 г. немецкая фирма Юнкерса построила стратоплан Ю-52 для полетов на высоте более 10 тыс. м. Это цельнометаллический самолет с низко посаженными крыльями. Фюзеляж (корпус) его герметически закупорен, пилотская кабина совершенно изолирована от внешней среды.

В кабине находятся измерительные приборы для наблюдения за состоянием стратосферы, коротковолновая радиоустановка, баллоны с кислородом для дыхания пилотов и препараты, поглощающие выдыхаемую углекислоту. По сведениям немецкой печати при испытании этого стратоплана была достигнута скорость около 800 км в час.

В том же году французские конструкторы Фарман и Герше построили два стратоплана.

Так как мотор требует для сгорания топлива определенное количество воздуха, а на больших высотах воздух сильно разряжен, то Фарман установил на своем самолете три компрессора. Эти компрессоры сжимают воздух до необходимого давления и подают его в мотор. Каждый компрессор начинает работать на определенной высоте. Первый компрессор включается на высоте 4 тыс. м, второй — на высоте 8 тыс. м и третий лишь при полете выше 14 тыс. м. Это позволяет сохранять полную мощность моторов до высоты 20 тыс. м.

При испытании этого стратоплана удалось достигнуть лишь средних высот.

В сентябре прошлого года французский летчик Лемуан установил рекорд высоты полета в 13 800 м и тем самым доказал, что полет на аэроплане в области стратосферы вполне возможен.

Развитию высотных полетов препятствует необычайная сложность в конструировании так называемой винто-моторной группы. Высотные моторы необходимо снабжать сложными и весьма тяжелыми компрессорами для подачи воздуха с необходимым для работы двигателя давлением. Некоторые конструкторы пытались создать специальные высотные моторы с большим объемом рабочих цилиндров. Но такие моторы, рассчитанные на работу в стратосфере, мало пригодны для полетов в нижних слоях атмосферы. При подъеме и спуске стратоплана приходится затрачивать большое количество горючего.

Помимо этого мощность обоих типов мотора все равно не может быть полностью использована при обычном пропеллере. Полет в, разреженных слоях воздуха требует большого числа оборотов пропеллера. Но при этом развивается столь колоссальная центробежная сила, что материал не может ее выдержать, и винт разрушается.

Таким образом мы видим, что в увеличении скорости самолетов и овладении большими высотами перед винто-моторной авиацией стоят очень сложные преграды. Авиация должна найти новые пути своего развитая, создать новые технические возможности своего роста. Такой путь уже намечается.

Дальнейшему развитию авиации открывают широко дорогу так называемые реактивные двигатели.

Гонки на ракетных велосипедах

В основу реактивного двигателя положено устройство обыкновенной ракеты. Работает он следующим образом. В специальной камере, имеющей одно выходное отверстие с конусообразной трубкой — соплом, происходит сгорание топлива. Газообразные продукты горения с колоссальной скоростью вылетают через сопло. При сгорании топлива в камере образуется повышенное давление до 80—100 атмосфер. Давление это действует во все стороны с одинаковой силой. Давления на боковые стенки камеры взаимно уравновешиваются. Сила же, действующая на переднюю стенку, ничем не уравновешивается, так как в противоположной стороне газы свободно вырываются через отверстие. Поэтому равнодействующая всех сил давления на стенки камеры заставляет ракетный двигатель совершать поступательное движение.

Всем известно, что после выстрела орудие или винтовка отдают назад. Происходит это потому, что снаряд или пуля с огромной скоростью вылетают из дула орудия или ствола винтовки. А само орудие в силу реакции получает движение в обратную сторону. Снаряды выталкиваются газами, образовавшимися при сгорании пороха. Если бы мы не укрепляли дула орудия на лафете, а предоставили ему свободно двигаться, то после выстрела дуло подобно ракете полетело бы назад.

Полет обычных летательных аппаратов невозможен в пространстве, лишенном воздуха. Подъемная сила аэроплана создается лишь благодаря действию воздушной струи на его крылья. Дирижабль или воздушный шар могут летать только в том случае, если они легче воздуха того же объема.

Пробег на ракетной мотоциклетке

В этом смысле ракетные двигатели имеют огромное преимущество перед обычными летательными аппаратами. Ракетный двигатель работает независимо от окружающей среды, он не нуждается в опоре воздуха. Аппараты, снабженные ракетными двигателями, могут летать не только в сильно разреженном воздухе, но даже и в безвоздушном пространстве.

За последние годы были проделаны разнообразные более или менее удачные опыты по применению реактивных двигателей к различным видам средств передвижения.

Фирма Опеля построила по проектам инж. Зандера несколько типов ракетных автомобилей и автомотрисе. В 1928 г. эта фирма провела успешные испытания автомобиля, который приводился в движение двенадцатью пороховыми ракетами, помещенными в задней части кузова. Толстостенные ракеты конструкции инж. Зандера зажигались последовательно по две сразу с помощью электрического запала. Для этого в передней части автомобиля помещался аккумулятор. На испытаниях ракетный автомобиль развил скорость в 100 км в час. Затем количество ракет было увеличено до 24, и автомобиль достиг скорости 240 км в час.

В том же году фирма Опеля произвела ряд испытаний с ракетной дрезиной, которая двигалась со скоростью 254 км в час. На дрезине так же, как и на автомобиле, были устроены специальные крылья, прижимающие ее к рельсам и сообщающие большую устойчивость во время движения.

Ракетомобиль Макса Валье

В 1929 г. Макс Валье, один из виднейших работников в области реактивного движения, производил на озере Айбзее (Германия) опыты с ракетными санями. Он довел скорость их движения до 400 км в час.

Вслед за тем было проведено большое количество испытаний реактивных автомобилей, дрезин, велосипедов, саней, глиссеров и других экипажей.

Эти опыты показали полную пригодность реактивных двигателей для самых разнообразных средств передвижения. Однако сами конструкторы признавали, что целью их опытов не является создание ракетных автомобилей или дрезин, что эти опыты дают лишь возможность изучить и усовершенствовать реактивные двигатели. Основная цель — это создание реактивного двигателя для авиации. В этой области ракетному двигателю суждено играть главную роль

Развитию автомобильного ракетного транспорта мешает ограниченная скорость, с которой можно двигаться по земле. Автомобильные и железнодорожные колеса, какой бы прочностью они не обладали, не могут выдержать той колоссальной центробежной силы, которая развивается при движении со скоростью в несколько сотен километров в час. Поэтому все сухопутные средства передвижения за исключением саней имеют практически весьма низкий предел скорости.

Германский конструктор Макс Валье
испытывает свой ракетный автомобиль

В противоположность этому реактивный двигатель наиболее выгоден именно при больших скоростях. Наиболее высокий коэфициент полезного действия ракеты получается в том случае, если скорость движения ракеты равна скорости газов, вылетающих из сопла. Скорость же истечения газов доходит до 2 000—2 500 м в секунду. По сравнению с этой величиной скорость движения автомобилей ничтожна. Поэтому при испытаниях ракетных автомобилей коэфициент полезного действия получался не более 5 проц.

Но вместе с тем проведенные опыты с ракетомобилями позволили внести значительные улучшения в конструкцию ракет. В результате этих опытов в июне 1928 г. удалось осуществить первый полет реактивного аэроплана. Немецкий летчик Штамер продержался в воздухе на ракетоплане 80 сек. За это время он сделал несколько поворотов и покрыл расстояние приблизительно в 1,5 км. На этом самолете в качестве двигателя были заложены две 20-килограммовые ракеты, сгоравшие поочередно. Полет ракетоплана отличался плавностью, отсутствием вибрации мотора и легкостью управления.

Схема действия реактивного двигателя

Другое интересное применение ракетам нашла известная немецкая фирма Юнкерса. На обычном самолете с авиационным двигателем укрепили несколько ракет. Ракеты зажигались при разбеге самолета по земле и облегчали его начальный подъем. Снабженный этими стартовыми ракетами самолет Юнкерса очень быстро отрывался от земли, не требуя большой площади для разбега, и сразу же набирал необходимую для полета скорость.

*

Одновременно с опытами над ракетными экипажами в различных странах ведутся многочисленные испытания самих реактивных двигателей. Германское общество звездоплавания производило недавно на специальном ракетодроме близ Берлина многочисленные опыты с простыми ракетами, так называемыми мираками (минимум-ракета).

Испытание ракетного автомобиля фирмы
Опель

Устройство мирака сравнительно простое. Сделан он из алюминия, а камера сгорания обложена изнутри медью. В мираке помещены три бака: один с кислородом, другой с бензином и третий с азотом под давлением в 12 атмосфер. Азот переходит по трубке в бак с бензином, вытесняя последний в камеру сгорания. В камере происходит смешение бензина с парами кислорода. Смесь эта отличается чрезвычайно интенсивным сгоранием. Такое устройство ракет избавляет от необходимости устраивать сложные и тяжелые насосы. Это значительно уменьшает мертвый вес ракеты и следовательно для развития больших скоростей требуется сравнительно меньшее количество горючего. Вес мираков колеблется от 3 до 4 кг.

Испытания этих ракет велись частью на специальных станках, а частью в свободном полете. Результаты испытаний дали немецким инженерам большой материал по конструированию наиболее рационального типа ракет, камер сгорания, по выбору строительных материалов и т. п. К сожалению, почти все данные этих опытов хранятся в строгом секрете и в печать поступают лишь отрывочные сведения о тех работах, которые ведутся на Берлинском ракетодроме. Так например известно, что немецкий инженер Тиллинг, член Общества звездоплавания, сконструировал ракету, рассчитанную для подъема на высоту 7 тыс. м; для этого потребовался заряд пороху в 22 кг.

Американский ракетный аэроплан;
приводится в действие 39 ракетами

Ракета Тиллинга была сделана целиком из алюминия. Она состояла из полого корпуса, на котором были укреплены 4 хвостовых плоскости, облегчающие равномерное планирование при обратном спуске. Общая длина ракеты равнялась 3 м. Опасаясь, чтобы ракета не улетела за пределы ракетодрома, Тилливг зарядил ее лишь 6 кг пороха. Ракета поднялась на высоту 800 м, тогда автоматически раскрылись два крыла, и ракета по спирали опустилась недалеко от места взлета.

Все перечисленные опыты с ракетами позволяют уже сейчас ставить вопрос о почтовой связи с помощью ракет между отдельными городами и даже между Европой и Америкой.

Австрийский инженер Шмидль в виде опыта пустил ракету с 333 письмами на расстояние в 20 км. Ракета пролетела положенное расстояние и доставила письма в назначенный пункт. По подсчетам руководителя Берлинского ракетодрома инж. Небеля такая ракетная почта будет стоить дешевле не только телеграммы, но даже простых писем, а по скорости доставки она превзойдет и те и другие. Так например почта из Берлина в Лондон будет доставлена в 6 мин., из Берлина в Вену — в 4½ мин., в Москву — в 11 мин., из Москвы во Владивосток — в 35 мин., а из Москвы в Нью-Йорк не более чем через час.

Ракетные сани Макса Валье, показавшие
при испытаниях скорость около
400 км в час

Таким образом и в деле почтовой связи реактивный двигатель является наиболее совершенным средством. В этой области ему несомненно предстоит большое будущее.

*

В Советском союзе проблемой реактивных двигателей занимаются группы изучения реактивного движения (ГИРД) при Осоавиахиме. Работа этих групп уже дала весьма заметные положительные результаты. Так например Ленинградский ГИРД в мае прошлого года провел испытания советских ракет. Эти испытания оправдали все расчеты конструкторов. Незагруженная ракета поднималась на высоту 700 м, а ракета с грузом — на 400 м.

Следует отметить, что идея применения реактивного двигателя как средства передвижения зародилась в нашей стране. Еще в 1881 г. известный революционер-народоволец Н. И. Кибальчич дал первый в мире проект воздухоплавательного аппарата, основанного на применении реактивного двигателя. За 50 лет до нашего времени он предугадал возможность применения ракетного двигателя в авиации.

Ракета Тиллинга. Боковые крылья
служат для планирования при спуске.
Крылья автоматически раскрываются,
когда ракета начнет падать вниз

В своих записках, составленных незадолго до казни, Кибальчич писал:

„В самом деле, при горении взрывчатых веществ образуется более или менее быстро большое количество газов, обладающих в момент образования громадной энергией. Я не помню в точности, какую работу, если выразить ее в килограммометрах, производит воспламенение 1 фунта пороха, но, если не ошибаюсь, фунт пороха, будучи взорван в земле, может выбросить земляную глыбу, весящую 40 пудов. Словом, никакие другие вещества в природе не обладают способностью развивать в короткий промежуток времени столько энергии, как взрывчатые.

Но каким образом можно применить энергию газов, образующихся при воспламенении взрывчатых веществ, в какой-либо продолжительной работе? — Это возможно только под тем условием, если та громадная энергия, которая образуется при горении взрывчатых веществ, будет образовываться не сразу, а в течение более или менее продолжительного промежутка времени.

Если мы возьмем 1 фунт зернистого пороха, вспыхивающего при зажигании мгновенно, спрессуем его под большим давлением в форму цилиндра, то увидим, что горение не сразу охватит цилиндр, в будет распространяться довольно медленно от одного конца к другому и с определенной скоростью. Скорость распространения горения в прессованном порохе определена из многочисленных опытов и составляет 4 линии в секунду.

На этом свойстве прессованного пороха основано устройство боевых ракет. Сущность этого устройства состоит в следующем. В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха, горение начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени к наружной поверхности прессованного пороха, образующиеся при горении пороха газы производят давление во все стороны, но боковые давления газов взаимно уравновешиваются давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед по тому направлению, на котором она была установлена в станке до зажигания. Траектория полета ракеты составляет параболу, подобно траектории ядер, выпущенных из орудий.

Представим себе теперь, что мы имеем из листового железа цилиндр известных размеров, закрытый герметически со всех сторон и только в нижнем дне своем заключающий отверстие известной величины. Расположим по оси этого цилиндра кусок прессованного пороха цилиндрической же формы и зажжем его с одного из оснований, при горении образуются газы, которые будут давить на всю внутреннюю поверхность металлического цилиндра, но давление на боковую поверхность цилиндра будет взаимно уравновешиваться, и только давление газов на закрытое дно цилиндра не будет уравновешено противоположным давлением, так как с противоположной стороны газы имеют свободный выход через отверстие в дне. Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов, величина которого зависит, с одной стороны, от внутренней емкости цилиндра, а с другой — от толщины куска прессованного пороха, цилиндр должен подняться вверх".

Модель ракеты для полета
в космическое пространство.
Сконструирована в 
Калифорнии

Разумеется, нужно было обладать необычайно смелой мыслью, чтобы в ту эпоху, когда не было осуществлено еще ни одного моторного полета, дать совершенно верный проект аппарата, который может двигаться не только в воздушной среде, но и в безвоздушном пространстве.

Однако, несмотря на всю целесообразность изобретения Кибальчича и проявленный к нему интерес в иностранных кругах, царское правительство не использовало этого проекта и спрятало его в архив, где он пролежал до 1918 г.

Через 20 с лишним лет известный русский изобретатель К. Э. Циолковский снова возвращается к проблеме реактивного двигателя. В 1903 г. он опубликовывает в журнале «Научное обозрение» свою статью под названием «Исследование мировых пространств реактивными приборами».

Циолковский так описывает проектируемый им снаряд:

„Снаряд имеет снаружи вид бескрылой птицы, легко рассекающей воздух. Большая часть внутренности занята двумя веществами в жидком состоянии: водородом и кислородом. Они разделены перегородкой и соединяются между собой только мало-по-малу. Остальная часть камеры, меньшей вместимости, назначена для помещения наблюдателя и разного рода аппаратов, необходимых для охранения его жизни, для научных наблюдений и для управления ракетой. Водород и кислород, смешиваясь в узкой части постепенно расширяющейся трубы (в роде духового музыкального инструмента), соединяются химически и образуют водяной пар при высокой температуре. Он имеет огромную упругость и вырывается из широкого отверстия трубы с ужасающею скоростью по направлению трубы или продольной оси камеры. Направление давления пара и направление полета снаряда прямо противоположны".

В своих работах Циолковский подробно освещает научные принципы реактивного движения и дает проект ракеты для межпланетных путешествий.

Схематический набросок проекта межпланетного дирижабля Циолковского (в разрезе)

Труба А и камера В из прочного тугоплавкого металла покрыты внутри еще более тугоплавким материалом, например вольфрамом. Си D - насосы, накачивающие жидкий кислород и водород в камеру взрывания В. Ракета еще имеет вторую наружную тугоплавкую оболочку. Между обеими оболочками есть промежуток FFF, в который устремляется испаряющийся жидкий кислород в виде очень холодного газа; он препятствует черезмерному нагреванию обеих оболочек от трения при быстром движении ракеты в атмосфере. Жидкий кислород и такой же водород разделены друг от друга непроницаемой оболочкой (не изображенной на рисунке), 1—труба, отводящая испаренный холодный кислород в промежуток между двумя оболочками; он вытекает наружу через отверстие КК. У отверствия трубы А имеется (не изображенный на рисунке) руль из двух взаимно перпендикулярных плоскостей для управления ракетой, вырывающиеся разреженные и охлажденные газы благодаря этим рулям изменяют направление своего движения и таким образом поворачивают ракету.

Но труды Циолковского постигла та же участь, что и проект Кибальчича. Его идеи казались консервативным ученым и представителям официальной науки фантастическими и неосуществимыми.

Работы Циолковского оставались долгое время для многих неизвестными. Только спустя 10 лет после опубликования его статьи за границей стали появляться первые труды по реактивному движению.

Независимо от К. Э. Циолковского русский изобретатель Ю. В. Кондратюк выпустил книгу, посвященную реактивному движению, в которой он самостоятельно и подробно разработал эту проблему. Кондратюк пришел к тем же теоретическим выводам, что и Циолковский.

Особые заслуги в деле реактивного движения принадлежат советскому инженеру-изобретателю Фридриху Артуровичу Цандеру. Тов. Цандер посвятил всю свою изобретательскую и научную деятельность развитию реактивного движения. Еще в 1924 г. он читал вместе с проф. К. Л. Баевым и проф. В. П. Ветчинкиным лекции по теории космического полета и применению, для этой цели реактивных двигателей. Тов. Цандер был одним из организаторов центрального ГИРД и его активнейшим работником.

В марте 1933 г. преждевременная смерть унесла т. Цандера. Однако за десять лет своей работы т. Цандер успел внести большой вклад в советскую науку о реактивных двигателях и далеко продвинуть вперед практические вопросы ракетных полетов. Он оставил многочисленные труды, в том числе уже изданную книгу «Проблема полета при помощи реактивных аппаратов». В ней помещен ряд проектов реактивных двигателей и дана теория их работы в области атмосферы и вне ее. В частности т. Цандер детально разработал особый тип реактивных двигателей, имеющих наибольший интерес для авиации, именно воздушно-реактивные двигатели. Эти двигатели не требуют запасов окислителя на борту летательного аппарата для сгорания топлива, а пользуются кислородом окружающего воздуха.

Проект ракетного снаряда для межпланетных полетов. Снаряд сконструирован в Америке

Воздушно-реактивный двигатель имеет в своем корпусе сквозную трубку, через которую проходит встречный воздух. Войдя в переднее отверстие, воздух попадает в камеру сгорания, где он нагревается и расширяется. Расширенный воздух с увеличенной скоростью вырывается через заднее отверстие. При этом сила реакции толкает двигатель вперед.

Разработкой вопроса о воздушных реактивных двигателях заняты сейчас многие научные силы как у нас, так и за границей. Впервые теорию воздушного реактивного двигателя дал советский ученый проф. Б. С. Стечкин. Затем появился обширный доклад итальянского генерала Крокко, представляющий собой результат продолжительных исследований по применению воздушных реактивных двигателей в авиации для высотных сверхскоростных полетов (суперавиации).

Генерал Крокко рассчитал аппарат весом в 1 тыс. кг, из которых 400 кг приходится на долю горючего. По его расчетам этот аппарат должен подняться на высоту 30 км, затратив на подъем 300 кг топлива, затем пролететь 1 тыс. км по горизонтальному пути со скоростью 3 600 км в час, израсходовав при этом оставшиеся 100 кг горючего. Затем аппарат планирующим спуском снижается на землю в 1 400 км от места отлета. Разумеется, ни современная авиация, ни артиллерия ничего подобного до сих пор дать не могли. Только реактивный двигатель дает возможность осуществить подобную задачу.

Военные министерства всех стран учли грандиозные возможности реактивных двигателей в области военной техники. Большинство наиболее видных практиков и теоретиков реактивного движения работают сейчас по заданиям военных ведомств. Например американский профессор Годдар, автор ряда научных исследований по ракетам, перешел в 1929 г. на службу в армию, все его дальнейшие работы носят сугубо секретный характер; французский теоретик реактивного движения Эсно-Пельтри уже несколько лет работает в военном министерстве; в Италии реактивное движение возглавляет генерал Крокко. Точно так же и в других странах все лучшие работники этого дела тесно связаны с военными организациями, пользуются их поддержкой или непосредственно работают в военных лабораториях.

У нас, в Советском союзе, реактивному двигателю предстоит широкое применение не только в деле обороны страны, но и в самых различных областях народного хозяйства. Небольшие ракеты могут быть использованы для метеорологических целей, для градорассеивания, фотосъемки, для связи с морскими судами, для сигнализации и т. п. Крупные реактивные двигатели — наиболее совершенное средство почтовой связи, а впоследствии и скоростного воздушного транспорта.

*

В отличие от капиталистических стран разработка вопросов реактивного движения в Советском союзе должна проходить при самом активном участии нашей технической общественности и любителей техники из числа рабочей молодежи.

На предприятиях, в рабочих клубах, в районных домах техники необходимо создать инициативные группы молодежи по изучению реактивных двигателей. Эти низовые любительские кружки могут связаться с группой изучения реактивного движения при Осоавиахиме и получить в качестве руководителя кружка опытного специалиста. От изучения теории реактивного движения и различных конструкций ракетных аппаратов такие любительские кружки смогут впоследствии перейти к постройке простейших ракетных аппаратов собственными силами..

Несомненно, что эта интереснейшая область техники привлечет к себе немало молодых изобретателей, которые помогут советской науке разрешить многие трудные вопросы в строительстве ракетных двигателей и летательных аппаратов.