Ствольна і ракетна артилерія
Раніше всіх з польотом швидше звуку, а отже, і з різким стрибкоподібним збільшенням опору повітря зустрілися в артилерійській техніці. Ще в XIX в. артилерійські снаряди досягли
швидкості польоту, рівної швидкості поширення звуку, а в даний час літають зі швидкістю польоту, що перевищує 1100 м / сек.
Дослідження і фотографії польоту куль і снарядів (рис. 65) показали, що при надзвуковому обтіканні попереду кулі утворюється головний хвиля ущільнення повітря, видима на фотографії у вигляді вузької, косою і темної смужки. На поверхні головного хвилі виникає нам вже знайомий стрибок ущільнення, в якому тиск, щільність і температура повітря стрибком підвищуються, а швидкість стрибком знижується. Вийшовши з стрибка ущільнення, потік повітря почне розганятися.
За хвостовою частиною кулі виникає хвостовій стрибок ущільнення повітря, менший за силою в порівнянні з головним. За донної частиною кулі або снаряда утворюється область вакууму різної інтенсивності, куди зривається незліченна кількість повітряних вихорів, внаслідок чого за тілом утворюється довгий вихровий слід. Для зменшення інтенсивності стрибків ущільнення, а отже, для зменшення опору повітря головної частини надають загострену форму. Загострення головної частини і подовження циліндричної частини снаряда благотворно впливають на збільшення дальності польоту.
Дальність польоту снаряда сильно залежить від його початкової швидкості.
У ствольної артилерії снаряду повідомляється початкова швидкість за допомогою колосальних тисків (3000 ÷ 4000 ат), що розвиваються в стволі гармати.
Подальше підвищення тиску в стволі гармати вкрай утруднено, тому що викликає значне підвищення температури під час вибуху заряду. Все це в свою чергу викликає необхідність збільшення масивності стовбура, вага знаряддя стає непомірно великим, крім того, при великому тиску і температурі нарізки в стволі гармати швидко зношуються. Ці міркування обмежують подальший розвиток ствольної артилерії.
Значно раніше ствольної артилерії зародилася ракетна артилерія (Китай, Індія), але її розвиток йшло вкрай повільно. Лише в XIX в. ракетна артилерія знову набула інтерес і в даний час розвинулася в реактивну техніку. І тут честь багатьох відкриттів і удосконалень належить українським ученим і винахідникам. Ще за Петра I вУкаіни було засновано ракетний заклад, де виготовлялися стандартні сигнальні і освітлювальні ракети для російської армії. У перші роки XIX ст. генерал Засядько Олександр Дмитрович створив російську бойову ракету, яка була поставлена на озброєння армії і успішно застосовувалася в бойових умовах. В середині XIX ст. український вчений - артилерист генерал Костянтин Іванович Константинов значно вдосконалив російську ракету, що перевершила закордонні як по легкості, рухливості, купчастості поразки, так і з безпеки в зверненні.
У 1881 р український винахідник революціонер-народоволець Микола Іванович Кибальчич, страчений за замах на Олександра II, вперше в світі обґрунтував і склав сміливий проект реактивного літального апарату для підйому людини в повітря.
Починаючи з 1898 р з'являються чудові роботи по реактивній техніці сміливого українського вченого і винахідника Костянтина Едуардовича Ціолковського. Вперше в світі він зробив розрахунок реактивного двигуна і створений проект першої рідинної ракети, де порох замінений рідким пальним і окислювачем.
У 1903 р Ціолковський розробив теорію польоту ракети і науково обґрунтував застосування ракет для міжпланетних повідомлень. К. Е. Ціолковський перший запропонував клинчастий аеродинамічний профіль та надання стрілоподібності крил для надзвукових польотів. Їм вперше запропоновано використання ракет для метеорологічних цілей.
Учень К. Е. Ціолковського, радянський учений і конструктор М. К. Тихонравов в 1934 р створив успішно літає метеорологічну ракету з рідинним реактивним двигуном.
В період Великої Вітчизняної війни з'явилася першокласна радянська ракетна установка «Катюша», що наводили страх і паніку на німецько-фашистських загарбників.
Ракета (рис. 66) складається з загостреного, витягнутого, циліндричного корпусу, що має тонку оболонку. У корпусі ракети розміщуються: реактивний двигун, пальне і корисний вантаж.
Мал. 66. Основні частини ракети:
1 - корпус; 2 - стабілізатор; 3 - повітряний кермо;
4-реактивна двигун
В кінці корпусу для стабілізації польоту розміщується хвостове оперення. Іноді ракетам додають крила, і тоді вони називаються крилатими ракетами. Через наявність крил дальність польоту у них більше, ніж у безкрилих ракет. Крила дозволяють подовжити політ в розріджених і щільних шарах атмосфери.
Крім того, крила дозволяють ракеті краще маневрувати в повітрі. Ці маневри потрібні, наприклад, зенітним керованим ракетам для переслідування літаки противника. Ідея крилатої ракети вперше запропонована талановитим радянським інженером Ф. А. Цандером. Крилата ракета має багато спільного з літаком.
Чим же відрізняється безкрила ракета від літака? В основному - способом освіти підйомної сили.
Літаючі апарати важче повітря можуть здійснювати польоти в повітрі, використовуючи два динамічних способу утворення підйомної сили - аеродинамічний і реактивний.
Аеродинамічний спосіб, як ми знаємо, полягає в відкиданні крилом маси повітря вниз, а реактивний спосіб - в відкиданні маси газів з камери згоряння реактивного двигуна. Як випливає з другого закону Ньютона, величина реактивної сили буде тим більше, чим більше відкидається за секунду маса газів і чим більше швидкість цих газів.
Аеродинамічний спосіб утворення підйомної сили використовують при своєму польоті літаки, вертольоти, планери, птахи, комахи і деякі тварини.
Безкрила ракета використовує для свого підйому реактивний спосіб утворення підйомної сили. Встановлений на ній реактивний двигун розвиває тягу, яка долає силу тяжіння ракети.
Зрозуміло, що в безповітряному просторі, куди залітають ракети, аеродинамічний спосіб утворення підйомної сили відпадає. Залишається для використання тільки реактивний спосіб. Он-то вперше і був запропонований К. Е. Ціолковським для пересування в міжпланетному просторі.
Серце ракети - це її реактивний двигун.
Реактивна сила витікає струменя газів прикладена до стінок камери і штовхає двигун в напрямку, протилежному напрямку випливають газів.
У камері реактивного двигуна може згоряти порох, тоді двигун називають пороховим.
У камеру згоряння може подаватися рідке пальне - спирт, гас і рідкий окислювач - азотна кислота, рідкий кисень, і тоді двигун називають рідинним реактивним двигуном, скорочено - ЖРД.
І нарешті, в камеру згоряння може подаватися гас і повітря, і тоді двигун називають повітряно-реактивним двигуном, скорочено - ВРД. Повітряно-реактивний двигун завжди характерний наявністю великого заборника повітря. Це вже не та маленька трубка, по якій тече рідкий окислювач, а великий канал, що має в поперечному перерізі площа 1 м 2 і більше.
Повітряно-реактивний двигун застосовується на літаках. На ракетах ж частіше вживаються порохові і рідинні реактивні двигуни. Ці двигуни страшно «ненажерливі». Рідинно-реактивний двигун на ракеті «Фау-2» за одну хвилину проковтує 9 т спирту і рідкого кисню, але зате за цю хвилину забирає ракету на висоту 40 км.
Ракеті, літаючої тільки в безповітряному просторі, можна було б надати будь-яку геометричну форму - куля, куб, еліпсоїд і т. Д. Але так як початок і кінець польоту, наприклад у ракети «Фау-2», пролягає в щільних шарах атмосфери, а середня частина польоту - в розріджених, то їй надають сучасну аеродинамічну форму, що має багато спільного з формою подовженою кулі або гостро відточеної круглого олівця.
Відомий романіст Жуль Верн в своєму науково-фантастичному романі «Подорож на Місяць» не зважив з аеродинамічним опором повітря і надав своєму апарату недостатньо загострену і подовжену форму. І якби такий апарат був побудований, то він багато б витрачав енергії на подолання опору повітря.
Дальня ракета «Фау-2» вагою близько 13 Т має довжину близько 14 м, складається з сигарообразного корпусу - фюзеляжу діаметром 1,7 м і хвостового горизонтального і вертикального оперення. На стреловидних стабілізаторах розташовані повітряні рулі. У повітряному просторі її політ, так само як і політ літака, стабілізується і управляється повітряними рулями.
Але як управляти ракетою в безповітряному просторі? Адже там, як не відхиляй повітряний кермо, аеродинамічної сили не виникне. На допомогу знову приходить силове взаємодія тіла з газом. К. Е. Ціолковського в 1903 р винайдені так звані газові рулі, які повсюдно стали застосовуватися і в сучасній зарубіжній реактивної техніці.
Газовий кермо має форму, близьку до повітряного керма, але ставиться він не в повітряний потік, а в потік розпеченого газу, що виходить з сопла реактивного двигуна (рис. 67). Відхиляючись в ту чи іншу сторону, т. Е. Змінюючи свій кут атаки (кут зустрічі керма з газовим потоком), газовий кермо буде відчувати несиметричне обтікання. А ми вже знаємо, що при несиметричному обтіканні виникає аеродинамічна сила, спрямована під кутом до напрямку руху. Ця сила, будучи прикладена на деякому плечі щодо центра ваги ракети, створює той момент, який надасть повертаюче дію на корпус ракети в польоті. Газовими рулями можна управляти по тангажу, крену і курсу.
Ракета «Фау-2» стартує вертикально і деякий час летить в тому ж положенні. В цьому випадку вона швидше може вийти з щільних шарів атмосфери, де аеродинамічний опір її польоту дуже велике. На відміну від вильоту снаряда із ствола гармати (700 ÷ 900 м / сек) ракета в перші секунди старту злітає з невеликою швидкістю (3 ÷ 4 м / сек). Її початковий політ можна бачити неозброєним оком. На пусковому столі ракета здригається, потім повільно, ніби знехотя відривається від столу, а потім все швидше і швидше йде вгору і зникає з очей спостерігача.
На висоті близько 30 км прилади керування переводять політ на похилий підйом. До кінця роботи двигуна на висоті близько 40 км ракета розвиває максимальну швидкість близько 5500 км / год або близько 1,5 км / сек, двигун кінчає свою роботу, і ракета летить по інерції, як кинутий камінь. Далі кілометрів 200 політ відбувається на висоті приблизно 100 км зі швидкістю близько 5000 км / год. В кінці польоту під дією сили тяжіння ракета повертається в щільні шари атмосфери і падає на землю зі швидкістю близько 3000 км / год. Дальність польоту ракети близько 300 км.
З розгляду схеми польоту (рис. 68) видно, що ракета «Фау-2» матиме при вході в нижні щільні шари атмосфери швидкість, майже в три рази перевищує швидкість звуку. При такій швидкості входу
Мал. 68. Траєкторія польоту ракети «ФАУ-2».
в щільні шари атмосфери виникають потужні перегони ущільнення повітря, що ведуть до великим силам опору повітря, до різкого зростання аеродинамічних навантажень на корпус ракети і, найголовніше і небезпечне, до великих температур нагрівання тонкої оболонки корпусу. У головній частині утворюється сильне стиснення повітря, що супроводжується підвищенням температури. Ця температура ще більше збільшується внаслідок тертя ракети про ущільнений повітря.
Ракета «Фау-2» нагрівалася настільки сильно, що, за спостереженнями жителів Лондона, вночі світилася темно-червоним світлом.
Сучасний стан аеродинаміки і реактивних двигунів дозволяє принципово думати про великих швидкостях польоту ракет.
При польоті в безповітряному просторі такі швидкості не викличуть ускладнень, але при проході ракети через атмосферу нагрів буде настільки сильним, що в конструкції ракети буде потрібно застосування жаротривких матеріалів і охолодження поверхні ракети тими чи іншими способами.
Природно, що застосування установки обладнання для охолодження викличе збільшення ваги конструкції ракети, а це вкрай небажано з таких міркувань.
К. Е. Ціолковський вивів формулу, по якій швидкість польоту у вільному просторі (простір, де немає опору повітря і на ракету не діють сили тяжіння) залежить тільки від швидкості вильоту газів із двигуна і відносини ваги ракети в кінці роботи двигуна (кінцева маса ракети ) до її стартовому вазі (початкова маса). Швидкість, з Ціолковського,
де: v закінчитися. - швидкість вильоту газів із двигуна ракети,
Мнач початкова маса ракети,
Мкон. - кінцева маса ракети.
З формули Ціолковського слід, що збільшення кінцевого ваги викликає зменшення швидкості польоту ракети.
Звідси зрозуміло прагнення конструкторів до зменшення відносини кінцевого ваги до початкового вазі ракети.
Для ракети «Фау-2» це відношення дорівнювало:
При зменшенні цього відносини швидкість ракети у вільному просторі буде безмежно зростати.
З метою зменшення відносини кінцевої маси до початкової маси ракети вельми доцільно використання складових ракет або ракетних поїздів. У такому поїзді двигуни кожної ракети працюють по черзі і частина спустошених від палива ракет автоматично відділяється і, таким чином, не є марним інертним вантажем, що перешкоджає інтенсивному нарощуванню швидкості.
Остання ракета такого поїзда може розвинути велику швидкість.
За принципом складовою ракети була запущена перша в світі радянська дальня міжконтинентальна ракета.
Першому в світі радянському штучному супутнику Землі космічна швидкість теж була повідомлена за допомогою складовою багатоступінчастої ракети.
Остання ракета-носій повідомила кулястому штучному супутнику Землі швидкість близько 8 км / сек на висоті близько 900 км. Як відомо з аеродинаміки куля є погано обтічною формою тіла, проте на цій висоті, через малу щільність повітря, аеродинамічний опір настільки незначний, що дозволило виконати супутник у вигляді кулі з діаметром 58 см.