Но и здесь реактивная сила создается, как и раньше, в результате отбрасывания массы воздуха, в котором перемещается двигатель. Разница только та, что это отбрасывание осуществляется не винтом, а самим двигателем. Окружающая двигатель среда — воздух — необходима для работы воздушно-реактивного двигателя, потому что кислород воздуха обеспечивает сгорание топлива.
Естественным был следующий шаг в развитии двигателя прямой реакции: создание двигателя, работа которого полностью не зависит от окружающей среды. Такой двигатель, создающий силу тяги в виде реакции отбрасываемых частиц собственной массы передвигающегося аппарата, точнее, массы продуктов горения топлива, находящегося на борту аппарата, и носит название ракетного двигателя[1].
Для иллюстрации принципа передвижения под действием реакции отбрасываемых частиц собственной массы мы могли бы представить себе на том же водохранилище необычное и неудобное судно в виде лодки с установленной на ней пушкой, стреляющей назад, через корму лодки: выстрел — и давление пороховых газов выталкивает снаряд, который скрывается за горизонтом. Однако те же газы оказывают и реактивное действие на пушку, толкая ее, а вместе с ней и лодку, вперед. Пока хватит запаса снарядов, наша лодка будет двигаться; с каждым выпущенным снарядом масса лодки будет уменьшаться, так как большая часть этой массы в виде массы снарядов будет отброшена с целью создания реактивной силы.
Естественно, что нет нужды в стрельбе снарядами. Тот же эффект может быть получен, если из пушки будут вытекать с большой скоростью газы — продукты сгорания пороха или какого-нибудь другого вещества. Важно лишь, чтобы это сгорание происходило без участия атмосферного воздуха. Отбрасывание массы газов и создаст реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено передвижение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. Это свойство делает ракетный двигатель единственно пригодным для сообщений в верхних слоях атмосферы и вне ее пределов.
Фиг. 6. К теореме о движении центра тяжести.
Принцип прямой реакции часто объясняют, используя известную из механики теорему о движении центра тяжести. Согласно этой теореме внутренние силы, действующие в системе тел, не могут изменить положения центра тяжести этой системы. Легко понять, что это действительно так. Вряд ли, например, найдется смельчак, который стал бы оспаривать известную народную поговорку: «Самого себя за волосы не поднимешь». Представим себе два одинаковых металлических шарика весом по 1 кг, лежащих на пластинке, уравновешенной на острие ножа (фиг. 6). Между шариками находится спиральная пружина. Сначала эта пружина сжата, а затем начинает разжиматься. Сила упругости пружины (внутренняя сила системы) будет действовать на оба шарика, которые вследствие этого начнут двигаться в противоположные стороны. Но это движение шариков не будет произвольным: шарики должны двигаться так, чтобы опирающаяся на нож пластинка продолжала оставаться в равновесии; это и будет означать, что центр тяжести системы не изменил своего положения. Для этого скорости V движения обоих шариков должны быть одинаковыми, так как одинаковы их массы.
Положение не изменится, если один шарик будет тяжелее другого, допустим, в два раза, т. е. их веса будут равны 1 и 2 кг. Но только теперь для сохранения равновесия пластинки больший шарик должен будет двигаться со скоростью, в два раза меньшей, чем меньший шарик, так как только в этом случае центр тяжести системы не изменит своего положения; тем самым будет соблюдено правило рычага — произведения силы на плечо справа и слева от точки опоры будут одинаковыми.
Этот же закон будет соблюдаться и для ракеты, движущейся в безвоздушном пространстве. Действительно, в этом случае, когда нет силы сопротивления воздуха, скорость движения ракеты под влиянием реактивного эффекта отбрасываемой струи газов будет во столько раз меньше скорости этих газов, во сколько раз масса ракеты больше массы отбрасываемых газов. Каждая молекула в отбрасываемой струе ведет себя так же, как и маленький шарик, а сама ракета — как большой шарик на фиг. 6. Разница в массах в этом случае огромна, но зато и количество непрерывно отбрасываемых молекул колоссально, так что в конце концов скорость ракеты может стать вполне соизмеримой со скоростью отбрасываемых молекул газа.
Принцип движения с помощью прямой реакции известен человечеству с давних времен. По некоторым данным уже более двух тысяч лет тому назад были созданы движущиеся модели, использующие прямую реакцию струи вытекающего пара (автором их считают александрийского мудреца Герона); многие сотни лет тому назад в Китае применялись ракеты, также основанные на этом принципе.
Однако только в XX веке, благодаря трудам русских ученых и, прежде всего, замечательного ученого Циолковского, была создана теория двигателей прямой реакции, были разработаны проекты первых ракетных двигателей для применения в авиации и дальней ракетной артиллерии и, наконец, в самые последние годы эти двигатели завоевали право на существование и получили разнообразное применение.
Циолковский создал новую главу механики — науки о движении, разработав теорию движения тела переменной массы. Классическая механика имела ранее дело лишь с телами постоянной массы, и движение ракет, т. е. тел с ракетными двигателями и, следовательно, с изменяющейся в процессе движения массой, нельзя было изучить, пользуясь законами этой механики. В частности, Циолковский вывел знаменитую, известную во всем мире по его имени формулу, так называемую «формулу ракеты», позволяющую определить конечную скорость ракеты по заданной скорости истечения газов и отношению начального веса ракеты к ее конечному весу.
Большой вклад в разработку механики тела переменной массы сделал известный русский ученый Иван Всеволодович Мещерский (Циолковский работал почти одновременно с Мещерским, но независимо от него). Над научными проблемами теории реактивного движения работал отец русской авиации Николай Егорович Жуковский и многие другие русские ученые.
2. СВОЙСТВА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Основные свойства ракетного двигателя мы уже знаем.
Первое свойство заключается в отсутствии специального движителя, назначение которого выполняет сам двигатель. Это оказывается возможным потому, что тяга представляет собой реакцию частиц газа, отбрасываемых самим двигателем. Такое использование принципа прямой реакции присуще всем реактивным двигателям.
Второе свойство заключается в использовании для создания реактивной струи массы самого летательного аппарата, точнее массы топлива, находящегося на его борту. Это свойство, делающее двигатель независимым от окружающей среды, отличает ракетный двигатель от других типов реактивных двигателей.
Другие свойства ракетного двигателя являются по существу следствием этих основных.
Так, второе основное свойство определяет характер рабочего тела — топлива, на котором работает ракетный двигатель. Мы говорим «топливо», имея в виду, что ракетный, как и всякий другой реактивный двигатель, является в настоящее время двигателем тепловым, т. е. совершает механическую работу за счет тепловой энергии, заключенной в рабочем теле и выделяющейся в результате химической реакции (обычно при сгорании топлива). Это не означает, что исключены другие типы ракетных двигателей, например двигателей, использующих электрическую или атомную энергию, но в настоящее время таких двигателей еще нет.
Так как работа ракетного двигателя не зависит от атмосферного воздуха, то, следовательно, химические реакции, протекающие в двигателе и приводящие к выделению тепловой энергии (в том числе и горение, если оно имеет место), должны происходить без его участия. Поэтому топливо ракетного двигателя должно заключать в себе все компоненты, необходимые для протекания реакции. В случае реакции горения топливо, следовательно, должно содержать как горючее, так и окислитель, т. е. кислород или кислородсодержащее вещество.
При этом топливо ракетного двигателя может быть как твердым, так и жидким, в связи с чем все ракетные двигатели (РД) делятся на две большие группы — двигатели на твердом топливе (пороховые РД) и двигатели на жидком топливе (жидкостно-реактивные, или ЖРД).
1
Слово «ракетный» происходит от итальянского «racchetto», что значит веретено, стержень. Этот термин объясняется тем, что первые ракеты (фейерверочные) своим внешним видом действительно напоминали веретено, да еще обычно снабжались для устойчивости полета деревянным стержнем. Именно ракеты, применявшиеся с давних пор в Китае, представляли собой первые реактивные двигатели, тогда как воздушно-реактивные двигатели появились лишь в последние годы.