Развитие порохового ракетного двигателя связано не только с артиллерией.
На заре развития авиации, когда создание управляемых летательных аппаратов как легче, так и тяжелее воздуха во многом задерживалось из-за отсутствия легкого и достаточно мощного двигателя, взоры изобретателей не раз обращались к реактивному двигателю. Одними из первых в этом направлении были работы русских изобретателей Третесского и Соковнина, относящиеся к середине прошлого века, в которых предполагалось использование реакции струи пара или сжатого воздуха.
Приоритет в отношении идеи использования порохового ракетного двигателя для летательного аппарата тяжелее воздуха принадлежит русской науке и связан с именем революционера-народовольца, студента института инженеров путей сообщения, Николая Ивановича Кибальчича.
Как известно, Кибальчич был активным участником террористического акта, осуществленного народовольцами 1 марта 1881 г. Кибальчич изготовил бомбу, которой был убит Александр II. Находясь в камере смертников, двадцатисемилетний Кибальчич за десять дней до казни подал записку с изложением существа своего предложения, идея которого у него возникла, очевидно, в процессе работы над бомбой.
Фиг. 11. Ракетные снаряды пошли на цель.
Фиг. 12. Так выглядел бы в полете ракетный летательный аппарат Кибальчича.
По мысли Кибальчича, как подъем, так и полет его аппарата должен был осуществляться под действием реактивного эффекта струи газов, образующихся при горении пороха в специальном ракетном двигателе, который должен был поворачиваться для управления полетом (фиг. 12). Помимо того, что в своей записке Кибальчич впервые излагал идею управляемого ракетного полета, чрезвычайно важным и ценным было его указание, что в ракетном двигателе должен применяться медленно горящий порох, спрессованный в виде ряда цилиндрических шашек. Предложение Кибальчича не подверглось рассмотрению, так как чиновники полиции считали, что «это едва ли будет своевременно и может вызвать только неуместные толки» и решили приобщить его к «делу 1 марта». Записка Кибальчича была обнаружена в полицейских архивах, где она пролежала более 36 лет, только в августе 1917 года.
Пороховой ракетный двигатель не нашел себе применения в качестве авиационного главным образом потому, что такой двигатель работает лишь в течение нескольких секунд или даже десятых долей секунды, а регулирование его тяги, необходимое для осуществления управляемого полета, представляет значительные трудности.
Тем не менее пороховой ракетный двигатель довольно широко применялся в авиации во время войны и применяется сейчас. Однако он служит не в качестве основного двигателя самолета, обеспечивающего его полет, а в качестве вспомогательного двигателя, тяга которого используется лишь при необходимости. Такая необходимость в эксплоатации может встретиться, например, когда требуется осуществить взлет перегруженного самолета, либо взлетная площадка мала (применение порохового двигателя может вдвое сократить разбег при взлете), загрязнена и так далее. В этих случаях пороховой двигатель носит название стартового (фиг. 13). В частности, пороховой двигатель может быть использован для запуска самолета или снаряда с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, который не в состоянии обеспечить самостоятельный старт.
Пороховой двигатель может быть использован и в качестве ускорителя, когда он включается с целью кратковременного увеличения скорости полета; например, когда нужно догнать противника или уйти от него.
Часто после использования пороховые двигатели сбрасываются; для этой цели они размещаются под крылом самолета (фиг. 14).
Фиг 13. Взлет пассажирского самолета с помощью стартовых ракет (ракеты размещены в фюзеляже).
Фиг. 14. Пороховые ракетные двигатели под крылом бомбардировщика.
Преимущества порохового РД в качестве вспомогательного авиационного двигателя заключаются в его простоте, дешевизне, безотказности, малом весе и вместе с тем значительной тяге, которую такой двигатель развивает в течение короткого времени, что от него в данном случае и требуется.
В заключение следует упомянуть о попытках установить пороховой РД на различных автомобилях, мотоциклах, катерах и так далее, которые делались чаще всего с целью установления новых рекордов скорости и в рекламных целях. Научное и практическое значение этих попыток невелико, так как известно, что применение пороховых ракетных двигателей целесообразно лишь при больших скоростях передвижения, свойственных авиации и артиллерии. На фиг. 15 представлена схема рекордного автомобиля, имевшего сзади батарею пороховых ракетных двигателей. Испытания таких экипажей часто кончались катастрофой.
Фиг. 15. Автомобиль с пороховыми ракетными двигателями.
Как устроен и работает пороховой ракетный двигатель
Основными конструктивными элементами порохового, как и любого другого ракетного двигателя, являются камера сгорания и сопло (фиг. 16).
Благодаря тому, что подача пороха, как и вообще всякого твердого топлива, в камеру сгорания представляет весьма трудную задачу, в пороховых РД весь запас топлива (пороха) размещается в камере сгорания и затем постепенно сгорает. Таким образом, объем камеры сгорания порохового РД определяется количествам размещаемого в ней пороха. По этой причине количество пороха в двигателе не может быть очень большим и пороховой РД обычно работает только несколько секунд (а иногда даже доли секунды).
Порох принадлежит к так называемым метательным взрывчатым веществам, которые в отличие от бризантных взрывчатых веществ не производят дробящего действия при своем разложении. Это объясняется значительно более медленным течением реакции разложения метательных ВВ. Тем не менее скорость горения пороха в стволах артиллерийских орудий весьма значительна. Если бы порох, размещенный в ракетной камере, горел с такой же скоростью, то давление пороховых газов было столь велико, что несомненно разорвало камеру, прочность которой неизмеримо меньше прочности артиллерийских стволов.
Если произойдет такой разрыв камеры, то ракета, конечно, никуда не полетит. С другой стороны, если порох будет гореть очень медленно, то секундный расход газов, а следовательно и тяга, будут малы. Поэтому должны быть приняты специальные меры, обеспечивающие нужную скорость горения пороха в камере сгорания РД. Эти меры в основном сводятся к определенной технологии изготовления пороха для ракетных двигателей.
Как известно, порох был изобретен в XIV веке. Этот порох, так называемый черный, представлял собой смесь селитры, серы и угля и в таком виде применялся в течение более 500 лет. Около 100 лет тому назад был изобретен так называемый бездымный порох, который имеет ряд преимуществ перед черным — он, как показывает его название, не образует дыма и, что очень важно, выделяет больше тепла при сгорании, что в случае ракетного двигателя обеспечивает большую скорость истечения и потому большую тягу. К числу бездымных порохов относятся пироксилиновый, нитроглицериновый и другие пороха. Они отличаются от черного пороха тем, что представляют собой уже не смесь, а однородные химические соединения, которые при реакции горения разлагаются, выделяя значительное количество тепла и образовывая много пороховых газов. В ракетных двигателях в настоящее время обычно применяются различные сорта бездымного пороха. Черный порох иногда применяется в простейших ракетах — фейерверочных и других.
Фиг. 16. Схема порохового ракетного двигателя.
Химическая реакция разложения взрывчатых веществ протекает чрезвычайно быстро. При вспышке взрывчатое вещество разлагается за тысячные и даже десятитысячные доли секунды, скорость детонационной волны достигает тысяч метров в секунду. Но если горение распространяется по заряду с небольшой скоростью, то реакция разложения протекает несравненно медленнее.