Накануне космического полета

Этот винтажный материал выкладывается на сайт в годовщину первого полета человека в космос.

Мы живем в эру, в то время, когда авиация – практика и теория перемещения по воздуху – перерастает в космонавтику – практику и теорию перемещения в безлюдном мировом пространстве. Современная техника стоит незадолго до создания межпланетной ракеты.

Жидкостные ракеты, используемые на данный момент в различных государствах, выстроены по схеме, в первый раз предложенной К.Э. Циолковским. По опубликованным данным, они поднимаются на высоту 200 с лишним километров. Составные жидкостные ракеты достигают еще более большого «потолка» – поднимаются на 400 км.

В этих конструкциях ракете до ее запуска сообщается начальный разгон посредством второй ракеты. В то время, когда нижний двигатель отработал, он машинально отцепляется и опускается на парашюте. В работу вступает второй двигатель.

400 км высоты – большое количество ли это?

Если сравнивать с расстояниями до небесных тел – это, само собой разумеется, весьма мало. Кроме того спутник Земли – Луна – находится от нас практически в тысячу раз дальше.

Но все-таки, и с позиций межпланетных полетов, 400 км – это высота очень большая.

Нужно учитывать одно событие: сила притяжения Почвы, как и всех других небесных тел, скоро значительно уменьшается по мере удаления от ее центра. Она ослабевает так же скоро, как освещенность предметов по мере их удаления от источников света. Это событие в значительной мере облегчает задачу межпланетных путешествий.

Подъем груза на высоту 2 м требует в 2 раза большей работы, чем подъем его на 1 м. Но чтобы поднять груз на миллиард метров, вовсе не нужно выполнять в миллиард раз громадную работу. В действительности тут получается огромная экономия – энергии потребуется в полтораста раз меньше предполагаемой величины.

Величину работы, которую необходимо совершить чтобы вырваться за сферу земного притяжения, возможно представить себе из для того чтобы примера: энергия, затрачиваемая на поднятие груза в 6,4 т на 1 м над поверхностью Почвы, равна энергии, нужной чтобы выкинуть камешек весом в 1 г в мировое пространство.

Обозначим работу, нужную для удаления данного тела с поверхности Почвы в бесконечность, единицей (эта работа, отнесенная к единице массы, является потенциалом Почвы). Какую долю данной работы нужно затратить, дабы поднять либо подбросить это же тело на определенную высоту?

Матанализ говорит о том, что эта величина равна большой высоте, до которой дойдет либо будет поднято данное тело, дроблённой на его большое расстояние от центра Почвы (высота плюс радиус Почвы). Дабы поднять тело на высоту в десять радиусов Почвы, потребуется 9/10 данной энергии, а в сто радиусов – 99/100. Пользуясь этим законом, мы сможем установить, какую долю работы, нужной для удаления в бесконечность безлюдной ракеты, выполнили двигатели, поднявшие ее на 400 км.

Округляя величину радиуса Почвы до 6400 км, мы приобретаем 400/(400 + 6400) = 1:17. Это, само собой разумеется, довольно много.

В случае если же учесть , что для превращения тела в неестественный спутник требуется добрая половина энергии, нужной для удаления его в бесконечность, то окажется, что современные ракеты, в случае если возможно так выразиться, с позиций развиваемой энергии, уже на 1/9 космические. Вследствие этого не будет лишенным интереса отыскать в памяти, что еще пятнадцать лет назад жидкостные ракеты не поднимались на высоту десяти километров.

Во какое количество же раз нужно будет увеличить скорость современной ракеты для превращения ее в неестественный спутник Почвы?

С позиций развиваемой скорости, современные ракеты уже более чем на 1/3 космические.

Действительно, ракета, поднимающаяся на 400 км, достигает большой скорости в 2250 м в сек. Неестественный же спутник, поворачивающийся тут же за пределами воздуха, обязан владеть скоростью, более чем в 3 раза превышающей эту величину. Но это вопрос не простой математики.

направляться еще учесть работу, затраченную на подъем ракеты, на гравитационные сопротивления потери и преодоление воздуха на протяжении взлета. (Эти последние утраты выражаются в том, что при трудящемся двигателе приращение скорости ракеты в поле тяготения меньше, чем вне его.) Но при соответствующем выборе режима и траектории работы двигателя эти утраты маленькие.

Так, «совершенную скорость», другими словами скорость, которой имела возможность бы достигнуть современная ракета в свободном пространстве [1], было нужно бы расширить всего приблизительно в 3 раза. Посредством составных ракет эта задача возможно решена уже Сейчас. Наука сейчас находится незадолго до осуществления космического полета.

Дабы легче было посмотреть в ближайшее будущее космонавтики, познакомимся с еще одним благоприятным для осуществления межпланетных полетов причиной.

При отлете с земной поверхности последующее повышение «потолка» на однообразную величину требует все меньшего и меньшего прироста скорости. Исходя из этого нужно считать, что рекорды высот на вертикально взлетающих ракетах будут достигаться скачкообразно, пока, наконец, не наступит сутки, в то время, когда взлетевшая ракета не оставит окончательно отечественную планету.

Многие уверены в том, что космическая ракета обязана в обязательном порядке быть снабженной двигателем, трудящимся на ядерном горючем. Такое вывод ничем не оправдано.

Современные ракеты, трудящиеся на термохимическом (простом) горючем, имеют скорость истечения газов до 2500 м в сек. Возможно предполагать, что не так долго осталось ждать удастся довести эту скорость до 4 тыс. м в сек.

При таковой скорости истечения газов и большом относительном запасе горючего космический полет в полной мере осуществим.

На данный момент вес уносимого жидкостной ракетой горючего превышает в 3 и более раза вес самой ракеты. И тут в связи с применением все более качественных материалов и более успешных конструкций возможно сохранять надежду на предстоящие удачи.

Запрещено, но, забывать, что ракету с данным двигателем запрещено чересчур загружать горючим, в противном случае она может вовсе не встать. И по большому счету очень сильно перегруженный двигатель не может сказать ракете громадную скорость.

Это не означает, что конструкторы не стремятся, к примеру, в баки поместить как возможно больше окислителя и горючего, но одновременно с этим они увеличивают мощность двигателя. Потому что чем больше тяга ракетного двигателя, тем при других равных условиях меньше топлива уходит с целью достижения данной цели.

Итак, в современном ракетостроении наблюдаются тенденции к повышению: скорости истечения газов, относительного запаса горючего, мощности двигателя, количества составных ступеней ракеты.

Достигнутые на всех этих участках удачи подведут нас прикасаясь к созданию космической ракеты.

Самой простой по конструкции есть ракета с постоянной тягой. В таковой ракете секундный расход горючего, и режим других механизмов и работы насосов не изменяются за все время полета. В большинстве случаев ракеты на жидком горючем строятся как раз для того чтобы типа.

Но такая ракета с не большой скоростью истечения газов не может быть использована для межпланетных путешествий, в случае если кроме того высказать предположение, что она способна забрать с собой нужное количество горючего с целью достижения нужной скорости.

По мере расхода горючего масса ракеты неспешно значительно уменьшается, а так как действующая тяга ракеты остается постоянной, то приращение скорости корабля в каждую последующую секунду – ускорение ракеты – будет неспешно возрастать. Одновременно с этим возрастают и силы инерции в ракеты.

Допустим, что во взлетающей вертикально ракете ощутимое ускорение равняется ускорению силы тяжести на уровне моря. На пружинных весах в ней подвешена однокилограммовая гиря. В то время, когда по мере сгорания горючего вес ракеты уменьшится в два раза, стрелка весов перейдет на цифру 2. В то время, когда же останется только одна треть начальной массы ракеты, стрелка будет показывать 3 кг. Находящиеся на ракете люди чувствовали бы тогда утроенный вес собственного тела.

При скорости истечения газов, равной 3 км в сек, ракета на высоте в 416 км достигла бы параболической скорости, если бы отсутствовало сопротивление воздуха. Сейчас вес тела на ракете увеличился бы в 100 раз. Для того чтобы повышения веса не в состоянии выдержать не только человек, но и ракета, – корпус ее разлетелся бы на небольшие части.

В жидкостных ракетах в конце так именуемого активного участка, другими словами в конце полета со включенным двигателем, ощутимая тяжесть возрастает в 7–11 раз против существующей на поверхности Почвы.

Но имеется возможность применять ракеты с постоянной тягой с целью достижения космических скоростей, избежав громадных ускорений. Для этого ракета должна быть ступенчатой и любая последующая ступень должна иметь менее замечательный двигатель, в соответствии с уменьшенной массой ракеты. В этом случае в конце периода работы каждого двигателя сила инерции не будет чрезмерно возрастать.

Существует кроме этого возможность применения для космического полета несложной ракеты с постоянной тягой методом большого повышения скорости истечения газов из сопла. Чем больше эта скорость, тем меньше нужный запас горючего. А в то время, когда в ракете меньше топлива, ее конечная масса не будет значительно отличаться от начальной и тем самым отличие в весе находящихся на ракете тел в начале и в конце работы двигателя будет менее ощутимой.

В случае если скорость истечения газов из взлетающей вертикально космической ракеты расширить с 3 до пяти километров в сек, тогда вес тел на ракете увеличится только лишь в 19 раз. При применении ядерного топлива с большой скоростью истечения газов прирост веса будет совсем малым.

самая подходящей для совершения космического полета ракетой необходимо вычислять ту, в которой чувство тяжести неизменно. В таком аппарате по мере выгорания горючего секундный расход истекающих газов обязан всегда уменьшаться. Это обеспечит телам, пребывающим на его борту, неизменность веса.

В таковой ракете высота работы горения и время двигателя не ограничены.

При вертикальном взлете на ракете обрисовываемого типа параболическая скорость достигается на высоте меньшей либо в крайнем, теоретическом, случае равной радиусу Почвы. При последнем условии чувствуемая на борту ракетного корабля тяжесть равна тяжести на поверхности Почвы.

Положение, в котором находится летчик на протяжении взлета, имеет значительное значение для конструкции ракеты. Чем эргономичнее положение летчика, тем большее ускорение он может перенести. А чем больше ускорение, на которое вычислена ракета, тем меньше топлива требуется ей с целью достижения одной и той же цели Нормально переносимое летчиком ускорение образовывает 40–50 м в сек?.

В лежачем положении летчик сможет выдержать секундное приращение скорости в 100 м в сек?. Использование кушетки особой формы делает летчика, как продемонстрировали испытания, еще более выносливым к ускорению, в особенности если он будет лежать вниз лицом.

В лабораторных условиях на необычных «каруселях» люди уже много раз, без вреда для здоровья, подвергались центробежному ускорению, равному а также превышающему ускорение на будущих космических ракетах, а также в течение более долгого времени, чем это потребуется при взлете в мировое пространство.

Мы, действительно, не имеем доказательств, что отсутствие силы тяжести, появляющееся на ракете по окончании выключения двигателя, будет безвредно для человека. Но, в нехорошем случае, возможно, как предлагал К.Э. Циолковский, заменить силу тяжести центробежной силой.

Не обращая внимания на то, что ракеты с постоянной тягой способны достигнуть каких угодно громадных скоростей, они имеют ограниченное время горения и при вертикальном взлете ограниченный, относительно низкий «потолок». К примеру, при скорости истечения газов в 3 км в сек. большая высота полета с включенным двигателем не имеет возможности превышать 459 км при длительности его работы в 306 сек.

Ракета «Фау-2», имеющая скорость истечения газов 2135 м в сек, не имела возможности бы при любых технических усовершенствованиях (повышение окислителя и количества горючего при упразднении и веса одновременном уменьшении конструкции нужного груза, уменьшении аэродинамического сопротивления и т. д.) действующий при вертикальном взлете продолжительнее 3 мин. 37 сек. (фактически двигатель «Фау-2» трудится около 70 сек.). Такая ракета не имела возможности бы кроме этого при любых событиях трудиться на высоте более чем 225 км.

На первый взгляд такое явление думается парадоксальным, но оно легко объяснимо. При постоянной тяге секундный расход горючего остается постоянным. Следовательно, спустя строго определенное время баки должны опорожниться.

Достигнутая же к этому времени высота, так, кроме этого ограничена.

Высказанные тут положения воображают не только теоретический интерес: они имеют громадное практическое значение. Они показывают, к примеру, что при стендовых опробованиях не следует сверхмерно увеличивать время горения двигателя. Увидим кстати, что одной из тяжёлых неприятностей ракетостроения есть как раз создание камеры сгорания с соплом, выдерживающим давления и высокие температуры, правда в течение весьма маленького периода времени.

Как показывает матанализ, большие время и высота горения обрисованной выше ракеты зависят только от ускорения силы тяжести на поверхности планеты, а данном случае Почвы, и от скорости истечения газов. Лишь изменение данной скорости воздействует на большие время и высоту горения, каковые растут, соответственно, пропорционально скорости истечения газов и ее квадрату.

Время от времени приходится слышать удивленный вопрос:

«Из-за чего нереально вырваться из сферы земного притяжения при скорости менее 11 км в сек.? Так как посредством ракетного двигателя не тяжело подниматься все выше и при меньшей скорости. Запрещено ли данный «потолок» поднимать на какое количество угодно?»

Дабы ответить на данный вопрос, необходимо установить: вероятен ли космический полет при постоянной скорости, характерной для современных самолетов?

Вертикально взлетающая ракета сохранит постоянную скорость, сказанную ей у поверхности Почвы, в случае если компенсировать ускорение земного тяготения. Как мы знаем, это ускорение с высотой убывает.

С целью достижения весьма далеких от отечественной планеты областей вселенной космический корабль не должен все время двигаться с начальной скоростью. На определенном расстоянии от Почвы возможно отключить двигатель и удаляться по инерции. Действительно, скорость корабля, начиная с этого момента, будет беспрерывно, не смотря на то, что и медлительно, понижаться, но все же корабль уже ни при каких обстоятельствах не остановится и не упадет обратно на Землю.

Каков же будет неспециализированный расход горючего для исполнения отечественной задачи при скорости взлета, к примеру, в 850 км в час? Это зависит от скорости истечения газов из ракеты. Допустим, что эта скорость равна 4 км в сек и что вес ракеты не превышает 1 г. Тогда с целью достижения отечественной цели пригодилась бы масса горючего громадная, чем вся масса Почвы.

Повышение скорости полета весьма быстро уменьшит нужное количество горючего.

Отчего же при громадных ускорениях требуется меньше топлива? Сила земного притяжения сокращает тягу ракеты, но эта убыль менее чувствительна для ракеты, летящей с громадным ускорением.

Допустим, имеется две ракеты, движущиеся в пустоте, в малом, фактически неощутимом поле тяготения. Одна летит с ускорением в 15 м/сек?, а вторая – с в два раза громадным. Спустя 2 сек. с момента начала перемещения первая ракета будет владеть скоростью в 30 м/сек, вторая же ракета достигает такой же скорости еще в конце первой секунды.

Пускай сейчас отечественные ракеты взлетают вертикально с поверхности Почвы. Сила притяжения отечественной планеты уменьшит их ускорение приблизительно на 10 м/сек?. Спустя 2 сек первая ракета будет владеть скоростью (15 м/сек?–10 м/сек?) ? 2 сек = 10 м/сек, а вторая по окончании 1 сек будет двигаться со скоростью (30 м/сек? – 10 м/сек?) ? 1 сек. = 20 м/сек.

Как видно, гравитационные утраты, появившиеся благодаря помещения ракеты в поле тяготения, были меньше на ракете с громадным ускорением – ей пригодится меньше топлива с целью достижения определенной скорости.

Первым космическим кораблем станет ракета, талантливая превратиться в неестественный спутник Почвы.

Какую же «совершенную скорость» обязана для этого развить ракета?

Допустим, что неестественному спутнику предназначено вращаться на высоте 300 км. Соответствующая данной высоте круговая скорость образовывает 7732 м в сек. Требуется кроме этого выполнить некую работу, дабы поднять ракету на такую высоту и преодолеть сопротивление воздушной оболочки Почвы.

Имеются еще гравитационные утраты, утраты на исправление траектории благодаря вероятных неточностей в работе приборов и механизмов, и благодаря незначительного, не неизменно действующего сопротивления воздуха на орбите неестественного спутника.

Принимая к сведенью все эти события, мы приходим к заключению, что ракета обязана развить совершенную скорость в 9640 м в сек.

Но как испытать такую ракету в летных условиях?

Для этого мы можем сперва сказать ракете половину совершенной скорости (9640/2 = 4820 м в сек.), а после этого посредством ее же двигателей затормозить эту скорость. Это даст нам возможность убедиться, что ракета будет способна развить нужную скорость для превращения ее в неестественный спутник Почвы.

Возможно кроме этого направить отечественную ракету с обладаемой ею скоростью в полет по соответственно подобранной траектории в пределах Почвы.

Как показывают расчеты, она может покрыть 2405 км, другими словами, к примеру, расстояние Москва – Караганда, за 14 мин. 43 сек.

Ракета взлетает в Москве с ускорением реактивной силы (ощутимое ускорение) в 50 м/сек?. Но благодаря геометрического сложения тяги притяжения ракеты и силы Земли ускорение ее перемещения образовывает только 43,2 м/сек?. Спустя 96,4 сек. на высоте 127,8 км, в то время, когда ракета пролетит 200,5 км, ее двигатель прекращает работу.

В это мгновение ракета владеет скоростью 4161 м в сек. (в свободном пространстве ее скорость составляла бы 4819 м в сек.) Начиная с этого момента, она летит по инерции по дуге эллипса, характеристики которого продемонстрированы на рисунке.

По окончании того как ракета перейдет через «потолок», ее скорость снова начинает возрастать, достигнув на высоте 127,8 км значения 4161 м в сек.

Сейчас начинается торможение посредством ракетных двигателей. Оно продолжается 96,4 сек – столько же, сколько период взлета. За пятнадцать минут ракета покроет расстояние Москва – Караганда.

И настанет второй сутки, в то время, когда летчик снова сядет за штурвал корабля, подобного по конструкции отечественной ракете. На этот раз он не будет больше тормозить скорость аппарата, а станет неспешно её увеличивать. И в то время, когда двигатели, с перерывами, отработают собственные 193 сек, ракета уже не упадет больше на Землю.

Превратившись в небесное тело, она будет кружить около нее.

Наша страна – отчизна реактивной техники. Придет час, в то время, когда первые советские стратопланы устремятся изучить космическое пространство.

[1] Под этим заглавием подразумевается пространство, лишенное сопротивляющейся среды и удаленное от небесных тел на достаточное расстояние, дабы возможно было пренебречь силами тяготения.

источник: А. ШТЕРНФЕЛЬД; Рис. К. АРЦЕУЛОВА и А. ЛЕБЕДЕВА «Незадолго до космического полета» // Техника-молодежи 02/1953, с.31–35

Четвертый день авиасалона МАКС-2017

Увлекательные записи:

Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны: