Роль физики в развитии ракетной техники
4 октября 1957 года в Советском Союзе был впервые осуществлен запуск искусственного спутника Земли, положивший начало новому этапу в покорении человеком космического пространства. Запуск спутника на орбиту вокруг Земли явился результатом долгого и напряженного труда всего советского народа — рабочих, ученых, инженеров и техников. В нем, как в зеркале, отразились те технические успехи и достижения, которых добился советский народ и в его лице все человечество.
Для осуществления такой сложной задачи понадобилось решение чрезвычайно разнообразных научных и инженерных проблем, что возможно только при высоком уровне науки и техники. Рассмотрим некоторые из этих проблем.
Прежде всего необходимо было создать достаточно мощные ракетные двигатели, подобрать материалы, способные выдерживать высокие температуры. Известно, что при работе ракетного двигателя температура в камере сгорания достигает нескольких тысяч градусов, в то время как наиболее тугоплавкий металл вольфрам плавится при 3300 °C.
За границей в связи с этим было исследовано большое количество специальных систем охлаждения и конструкций двигателя. Иностранные специалисты столкнулись при этом с такими трудностями, которые привели к целой серии неудачных запусков космических объектов.
Однако необходимо не только иметь хороший и надежный двигатель для ракеты, но и уметь управлять работой этого двигателя и самой ракетой на расстоянии. Для этого может быть использована сложная радиотехническая система управления, позволяющая следить с Земли за полетом ракеты, измерять ее скорость, подавать радиокоманды на включение или выключение различных агрегатов и приборов на ракете.
Каким же образом ракета управляется в полете?
В районе старта можно расположить несколько радиолокационных станций, антенны которых автоматически наводятся на ракету. Начиная с момента старта и в течение всего полета ракеты радиолокационные станции ведут непрерывное измерение параметров траектории и режима полета.
Расстояние до ракеты измеряют следующим образом. Радиолокационная станция непрерывно излучает короткие импульсы радиоволн в направлении на ракету. Эти импульсы, дойдя до ракеты, отражаются от нее и принимаются чувствительными приемными устройствами. На экране радиолокатора возникают два всплеска: первый соответствует моменту излучения радиоимпульса, второй — моменту прихода отраженного от ракеты импульса. Расстояние между этими всплесками на экране индикатора пропорционально расстоянию от радиолокатора до ракеты. Таким образом, измеряя расстояние между двумя отметками на экране, можно определить истинное расстояние до ракеты.
Другую важную характеристику движущегося объекта (его скорость) можно вычислить, используя так называемый эффект Допплера, который заключается в том, что радиоволны, отраженные от движущегося тела, имеют несколько измененную частоту относительно частоты импульса, излученного антенной передатчика.
С эффектом Допплера часто встречаются в повседневной жизни. Так, при приближении поезда тон (частота звуковых колебаний) гудка выше нормального. При удалении поезда тон его становится гораздо ниже, т. е. частота звуковых колебаний уменьшается. Это происходит потому, что при движении поезда относительно наблюдателя (или наоборот) количество звуковых колебаний, попадающих в его ухо в единицу времени, либо увеличивается, либо уменьшается в зависимости от того, происходит сближение с источником или удаление от него. Разница тона гудка тем заметнее, чем с большей скоростью происходит это относительное движение.
На основе эффекта Допплера можно очень точно измерить скорость движущегося объекта. Использование этого эффекта для управления полетом ракеты обеспечило достижение ракетой поверхности Луны. Чтобы оценить эту точность, надо отметить, что если бы скорость ракеты, направленной на Луну, отличалась от расчетной на два — три метра в секунду, то точка попадания ракеты на Луну сместилась бы при этом на несколько сотен километров.
Современные системы радиоуправления ракетами представляют собой весьма сложные комплексы различной аппаратуры. С помощью таких систем возможен контроль работы бортовой аппаратуры, установленной на ракете, осуществление передачи радио- и телеинформации с борта ракеты, точнейший контроль параметров ее траектории, управление работой двигателей и многое другое.
Можно с уверенностью сказать, что без последних успехов в развитии радиофизики, радиотехники и электроники такие замечательные достижения, как запуски искусственных спутников Земли и космических кораблей, были бы невозможны.
Другой важной проблемой в ракетной технике считается выбор топлива для двигателей, занимающего по возможности меньший объем и обеспечивающего высокую скорость истечения продуктов сгорания из сопла ракетного двигателя.
Чем больше скорость v истечения продуктов сгорания, тем больше (при прочих равных условиях) скорость ракеты к моменту окончания работы ее двигателей. Этот важный закон был установлен и выражен математической формулой великим русским ученым К. Э. Циолковским, по имени которого и названа формула
Из формулы следует, что конечная скорость ракеты тем больше, чем большую часть от общей массы М ракеты составляет топливо. Наиболее эффективно топливо может быть использовано в многоступенчатых ракетах (рис. 26).
Идея создания многоступенчатых ракет была впервые высказана К. Э. Циолковским. В многоступенчатых ракетах по мере сгорания части топлива избавляются от ненужных конструкций, отцепляют отработавшую ступень. Практическая ценность этой идеи тем более очевидна, что многоступенчатые ракеты позволили осуществить запуск первых искусственных спутников Земли. Запуск подтвердил правильность теории космических полетов, которой Циолковский посвятил свои многочисленные труды.
«Земля, — писал Циолковский, — колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».
И вот теперь все человечество является свидетелем того, как успешно претворяется в жизнь мечта великого ученого. Недалек тот день, когда на Луну и ближайшие планеты ступит нога человека — покорителя бесконечных и величественных просторов Вселенной. Пройдут годы, и человек устремится к иным мирам — мирам самых отдаленных звезд, подобных нашему Солнцу, и не исключена возможность того, что в окрестностях таких звезд будут обнаружены планеты, подобные нашей Земле. Для осуществления таких полетов потребуются уже совершенно иные типы ракет, которые будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света.
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ
На протяжении всей истории развития физики и техники возникали те или иные проблемы, которые требовали безотлагательного решения. Появление таких проблем определяется, с одной стороны, новыми задачами и требованиями как с теоретической, так и е производственной точки зрения и, с другой стороны, необходимостью пересмотра некоторых старых теорий или отдельных положений, что обусловливалось всем ходом предшествующего развития науки и техники.
Так, развитие судоходства привело к созданию парового двигателя для кораблей, а целый ряд новых открытий б области физики, не укладывавшихся в рамки старой теории (например, открытие и исследование фотоэффекта, опыты Майкельсона, работы Эйнштейна), привели к созданию новой теории — теории относительности, которая коренным образом изменила наши представления о пространстве и времени.