Ствольная и ракетная артиллерия

Раньше всех с полётом быстрее звука, а следовательно, и с резким скачкообразным увеличением сопротивления воздуха встретились в артиллерийской технике. Ещё в XIX в. артиллерийские снаряды достигли

скорости полёта, равной скорости распространения звука, а в настоящее время летают со скоростью полёта, превышающей 1100 м/сек.

Исследования и фотографии полёта пуль и снарядов (рис. 65) показали, что при сверхзвуковом обтекании впереди пули образуется головная волна уплотнения воздуха, видимая на фотографии в виде узкой, косой и тёмной полоски. На поверхности головной волны возникает нам уже знакомый скачок уплотнения, в котором давление, плотность и температура воздуха скачком повышаются, а скорость скачком понижается. Выйдя из скачка уплотнения, поток воздуха начнёт разгоняться.

За хвостовой частью пули возникает хвостовой скачок уплотнения воздуха, меньший по силе в сравнении с головным. За донной частью пули или снаряда образуется область вакуума различной интенсивности, куда срывается бесчисленное количество воздушных вихрей, вследствие чего за телом образуется длинный вихревой след. Для уменьшения интенсивности скачков уплотнения, а следовательно, для уменьшения сопротивления воздуха головной части придают заострённую форму. Заострение головной части и удлинение цилиндрической части снаряда благотворно влияют на увеличение дальности полёта.

Дальность полёта снаряда сильно зависит от его начальной скорости.

В ствольной артиллерии снаряду сообщается начальная скорость с помощью колоссальных давлений (3000 ÷ 4000 ат), развивающихся в стволе орудия.

Ствольная и ракетная артиллерия

Дальнейшее повышение давления в стволе орудия крайне затруднено, так как вызывает значительное повышение температуры при взрыве заряда. Всё это в свою очередь вызывает необходимость увеличения массивности ствола, вес орудия становится непомерно большим, кроме того, при большом давлении и температуре нарезки в стволе орудия быстро изнашиваются. Эти соображения ограничивают дальнейшее развитие ствольной артиллерии.

Значительно ранее ствольной артиллерии зародилась ракетная артиллерия (Китай, Индия), но её развитие шло крайне медленно. Лишь в XIX в. ракетная артиллерия вновь приобрела интерес и в настоящее время развилась в реактивную технику. И здесь честь многих открытий и усовершенствований принадлежит русским учёным и изобретателям. Ещё при Петре I в России было учреждено ракетное заведение, где изготовлялись стандартные сигнальные и осветительные ракеты для русской армии. В первых годах XIX в. генерал Александр Дмитриевич Засядко создал русскую боевую ракету, которая была поставлена на вооружение армии и успешно применялась в боевых условиях. В середине XIX в. русский учёный — артиллерист генерал Константин Иванович Константинов значительно усовершенствовал русскую ракету, превзошедшую зарубежные как по лёгкости, подвижности, кучности поражения, так и по безопасности в обращении.

В 1881 г. русский изобретатель революционер-народоволец Николай Иванович Кибальчич, казнённый за покушение на Александра II, впервые в мире обосновал и составил смелый проект реактивного летательного аппарата для подъёма человека в воздух.

Начиная с 1898 г. появляются замечательные работы по реактивной технике смелого русского учёного и изобретателя Константина Эдуардовича Циолковского. Впервые в мире им сделан расчёт реактивного двигателя и создан проект первой жидкостной ракеты, где порох заменён жидким горючим и окислителем.

В 1903 г. Циолковский разработал теорию полёта ракеты и научно обосновал применение ракет для межпланетных сообщений. К. Э. Циолковский первый предложил клинообразный аэродинамический профиль и придание стреловидности крыльям для сверхзвуковых полётов. Им впервые предложено использование ракет для метеорологических целей.

Ученик К. Э. Циолковского, советский учёный и конструктор М. К. Тихонравов в 1934 г. создал успешно летавшую метеорологическую ракету с жидкостным реактивным двигателем.

В период Великой Отечественной войны появилась первоклассная советская ракетная установка «Катюша», наводившая страх и панику на немецко-фашистских захватчиков.

Ракета (рис. 66) состоит из заострённого, вытянутого, цилиндрического корпуса, имеющего тонкую оболочку. В корпусе ракеты размещаются: реактивный двигатель, горючее и полезный груз. 

Ствольная и ракетная артиллерия

Рис. 66. Основные части ракеты:

1 — корпус; 2 — стабилизатор; 3 — воздушный руль;

4 —реактивный двигатель

В конце корпуса для стабилизации полёта размещается хвостовое оперение. Иногда ракетам добавляют крылья, и тогда они называются крылатыми ракетами. Из-за наличия крыльев дальность полёта у них больше, чем у бескрылых ракет. Крылья позволяют удлинить полёт в разреженных и плотных слоях атмосферы.

Кроме того, крылья позволяют ракете лучше маневрировать в воздухе. Эти манёвры нужны, например, зенитным управляемым ракетам для преследования самолёта противника. Идея крылатой ракеты впервые предложена талантливым советским инженером Ф. А. Цандером. Крылатая ракета имеет много общего с самолётом.

Чем же отличается бескрылая ракета от самолёта? В основном — способом образования подъёмной силы.

Летающие аппараты тяжелее воздуха могут совершать полёты в воздухе, используя два динамических способа образования подъёмной силы — аэродинамический и реактивный.

Аэродинамический способ, как мы знаем, заключается в отбрасывании крылом массы воздуха вниз, а реактивный способ — в отбрасывании массы газов из камеры сгорания реактивного двигателя. Как следует из второго закона Ньютона, величина реактивной силы будет тем больше, чем больше отбрасываемая за секунду масса газов и чем больше скорость этих газов.

Аэродинамический способ образования подъёмной силы используют при своём полёте самолёты, вертолёты, планёры, птицы, насекомые и некоторые животные.

Бескрылая ракета использует для своего подъёма реактивный способ образования подъёмной силы. Установленный на ней реактивный двигатель развивает тягу, которая преодолевает силу тяжести ракеты.

Понятно, что в безвоздушном пространстве, куда залетают ракеты, аэродинамический способ образования подъёмной силы отпадает. Остаётся для использования только реактивный способ. Он-то впервые и был предложен К. Э. Циолковским для передвижения в межпланетном пространстве.

Сердце ракеты — это её реактивный двигатель.

Во всяком реактивном двигателе есть камера сгорания и сопловая часть. В камере сгорания происходит соединение горючего с окислителем. В результате сгорания образуется большое количество сильно нагретых газов (температура больше 2000° С), и давление в камере повышается. Из камеры газы устремляются в сопловую часть двигателя, где они расширяются и с большей скоростью ( около 2500 м/сек) вылетают наружу. Сопловая часть имеет форму, предложенную инженером Лавалем.

Реактивная сила вытекающей струи газов приложена к стенкам камеры и толкает двигатель в направлении, обратном направлению вытекающих газов.

В камере реактивного двигателя может сгорать порох, тогда двигатель называют пороховым.

В камеру сгорания может подаваться жидкое горючее — спирт, керосин и жидкий окислитель — азотная кислота, жидкий кислород, и тогда двигатель называют жидкостным реактивным двигателем, сокращённо — ЖРД.

И наконец, в камеру сгорания может подаваться керосин и воздух, и тогда двигатель называют воздушно-реактивным двигателем, сокращённо — ВРД. Воздушно-реактивный двигатель всегда характерен наличием большого заборника воздуха. Это уже не та маленькая трубка, по которой течёт жидкий окислитель, а большой канал, имеющий в поперечном сечении площадь 1 м2 и более.

Воздушно-реактивный двигатель применяется на самолётах. На ракетах же чаще употребляются пороховые и жидкостные реактивные двигатели. Эти двигатели страшно «прожорливы». Жидкостно-реактивный двигатель на ракете «Фау-2» за одну минуту проглатывает 9 т спирта и жидкого кислорода, но зато за эту минуту уносит ракету на высоту 40 км.

Ракете, летающей только в безвоздушном пространстве, можно было бы придать любую геометрическую форму — шар, куб, эллипсоид и т. д. Но так как начало и конец полёта, например у ракеты «Фау-2», пролегает в плотных слоях атмосферы, а средняя часть полёта — в разреженных, то ей придают современную аэродинамическую форму, имеющую много общего с формой удлинённой пули или остро отточенного круглого карандаша.

Известный романист Жюль Верн в своём научно-фантастическом романе «Путешествие на луну» не посчитался с аэродинамическим сопротивлением воздуха и придал своему аппарату недостаточно заострённую и удлинённую форму. И если бы такой аппарат был построен, то он много бы затрачивал энергии на преодоление сопротивления воздуха.

Дальняя ракета «Фау-2» весом около 13 Т имеет длину около 14 м, состоит из сигарообразного корпуса — фюзеляжа диаметром 1,7 м и хвостового горизонтального и вертикального оперения. На стреловидных стабилизаторах расположены воздушные рули. В воздушном пространстве её полёт, так же как и полёт самолёта, стабилизируется и управляется воздушными рулями.

Но как управлять ракетой в безвоздушном пространстве? Ведь там, как ни отклоняй воздушный руль, аэродинамической силы не возникнет. На помощь опять приходит силовое взаимодействие тела с газом. К. Э. Циолковским в 1903 г. изобретены так называемые газовые рули, которые повсеместно стали применяться и в современной зарубежной реактивной технике.

Газовый руль имеет форму, близкую к воздушному рулю, но ставится он не в воздушный поток, а в поток раскалённого газа, выходящего из сопла реактивного двигателя (рис. 67). Отклоняясь в ту или иную сторону, т. е. изменяя свой угол атаки (угол встречи руля с газовым потоком), газовый руль будет испытывать несимметричное обтекание. А мы уже знаем, что при несимметричном обтекании возникает аэродинамическая сила, направленная под углом к направлению движения. Эта сила, будучи приложена на некотором плече относительно центра тяжести ракеты, создаёт тот момент, который окажет поворачивающее действие на корпус ракеты в полёте. Газовыми рулями можно управлять по тангажу, крену и курсу.

Ствольная и ракетная артиллерия

 Понятно, что газовый руль, работая в раскалённой газовой среде с температурой около 2000°С, должен быть выполнен из жароупорного материала, например из графита. Газовый руль также нужен для стабилизации ракеты при старте, когда из-за маленькой скорости полёта воздушные рули ещё не эффективны.

Ракета «Фау-2» стартует вертикально и некоторое время летит в том же положении. В этом случае она быстрее может выйти из плотных слоёв атмосферы, где аэродинамическое сопротивление её полёту весьма велико. В отличие от вылета снаряда из ствола орудия (700 ÷900 м/сек) ракета в первые секунды старта взлетает с небольшой скоростью (3 ÷ 4 м/сек). Её начальный полёт можно видеть простым глазом. На пусковом столе ракета вздрагивает, потом медленно, как бы нехотя отрывается от стола, а затем всё быстрее и быстрее уходит вверх и исчезает из глаз наблюдателя.

На высоте около 30 км приборы управления переводят полёт на наклонный подъём. К концу работы двигателя на высоте около 40 км ракета развивает максимальную скорость около 5500 км/час или около 1,5 км/сек, двигатель кончает свою работу, и ракета летит по инерции, как брошенный камень. Далее километров 200 полёт происходит на высоте примерно 100 км со скоростью  около 5000 км/час. В конце полёта под действием силы тяжести ракета возвращается в плотные слои атмосферы и падает на землю со скоростью около 3000 км/час. Дальность полёта ракеты около 300 км.

Из рассмотрения схемы полёта (рис. 68) видно, что ракета «Фау-2» будет иметь при входе в нижние плотные слои атмосферы скорость, почти в три раза превышающую скорость звука. При такой скорости входа

Ствольная и ракетная артиллерия

Рис. 68. Траектория полёта ракеты «ФАУ-2».

в плотные слои атмосферы возникают мощные скачки уплотнения воздуха, ведущие к большим силам сопротивления воздуха, к резкому возрастанию аэродинамических нагрузок на корпус ракеты и, самое главное и опасное, к большим температурам нагрева тонкой оболочки корпуса. У головной части образуется сильное сжатие воздуха, сопровождающееся повышением температуры. Эта температура ещё более увеличивается вследствие трения ракеты об уплотнённый воздух.

Ракета «Фау-2» нагревалась настолько сильно, что, по наблюдениям жителей Лондона, ночью светилась тёмно-красным светом.

Современное состояние аэродинамики и реактивных двигателей позволяет принципиально думать об огромных скоростях полёта ракет.

При полёте в безвоздушном пространстве такие скорости не вызовут осложнений, но при проходе ракеты через атмосферу нагрев будет настолько сильным, что в конструкции ракеты потребуется применение жароупорных материалов и охлаждение поверхности ракеты теми или иными способами.

Естественно, что применение установки оборудования для охлаждения вызовет увеличение веса конструкции ракеты, а это крайне нежелательно по следующим соображениям.

К. Э. Циолковский вывел формулу, по которой скорость полёта в свободном пространстве (пространство, где нет сопротивления воздуха и на ракету не действуют силы тяготения) зависит только от скорости истечения газов из двигателя и отношения веса ракеты в конце работы двигателя (конечная масса ракеты) к её стартовому весу (начальная масса). Скорость, по Циолковскому,

Ствольная и ракетная артиллерия

где: v истечен. — скорость истечения газов из двигателя ракеты,

            Мнач—начальная масса ракеты,

            Мкон. — конечная масса ракеты.

Из формулы К. Э. Циолковского следует, что увеличение конечного веса вызывает уменьшение скорости полёта ракеты.

Отсюда понятно стремление конструкторов к уменьшению отношения конечного веса к начальному весу ракеты.

Для ракеты «Фау-2» это отношение было равно:

Ствольная и ракетная артиллерия

При уменьшении этого отношения скорость ракеты в свободном пространстве будет безгранично возрастать.

С целью уменьшения отношения конечной массы к начальной массе ракеты весьма целесообразно использование составных ракет или ракетных поездов. В таком поезде двигатели каждой ракеты работают поочерёдно и часть опустошённых от топлива ракет автоматически отделяется и, таким образом, не является бесполезным инертным грузом, препятствующим интенсивному наращиванию скорости.

Последняя ракета такого поезда может развить огромную скорость.

По принципу составной ракеты была запущена первая в мире советская дальняя межконтинентальная ракета.

Первому в мире советскому искусственному спутнику Земли космическая скорость тоже была сообщена при помощи составной многоступенчатой ракеты.

Последняя ракета-носитель сообщила шарообразному искусственному спутнику Земли скорость около 8 км/сек на высоте около 900 км. Как известно из аэродинамики шар является плохо обтекаемой формой тела, однако на этой высоте, из-за малой плотности воздуха, аэродинамическое сопротивление столь незначительно, что позволило выполнить спутник в виде шара с диаметром 58 см.

Смотрите также