Ракетные двигатели

Ракетные двигатели

Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.

Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.

Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.

Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.

Химические ракетные двигатели (ХРД)

Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.

Виды химических двигателей

История создания

Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.

Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.

Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.

Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей

Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.

В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.

Плюсы и минусы химических РД, их сфера применения

Достоинствами твердотопливных РД являются:

• простота конструкции;
• сравнительная безопасность в плане экологии;
• невысокая цена;
• надежность.

Недостатки РДТТ:

• ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
• невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
• небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.

Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).

Достоинства жидкостных РД:

• высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
• возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
• меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.

Недостатки ЖРД:

• сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
• в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.

Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.

Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.

История создания

Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.

Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.

Устройство и принцип действия

Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.

Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.

Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущества и недостатки ЯРД

Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД)

Еще один потенциальный конкурент химических РД – электрический РД, работающий за счет электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.

История создания

Первый ЭРД был сконструирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-х годах ученые СССР и США активно работали над созданием ЭРД, и уже в 70-х годах первые образцы начали использоваться в космических аппаратах в качестве двигателей управления.

Устройство и принцип работы

Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, управления и электропитания. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочего тела используется гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.

Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы рабочего тела ускоряются за счет электрического поля. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело – инертный газ ксенон – проходит через кольцевой анод и попадает в газоразрядную камеру с катод-компенсатором. При высоком напряжении между анодом и катодом вспыхивает искра, ионизирующая газ, в результате чего получается плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, приобретенной за счет разгона электрическим полем, а электроны выводятся наружу катодом-компенсатором.

Электромагнитные РД имеют свое магнитное поле – внешнее или внутреннее, которое ускоряет заряженные частицы рабочего тела.

Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.

Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования

Среди преимуществ ЭРД:

• высокий показатель удельного импульса, верхний предел которого практически не ограничен;
• малый расход топлива (рабочего тела).

Недостатки:

• высокий уровень потребления электроэнергии;
• сложность конструкции;
• небольшая тяга.

На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Именно эти силовые установки чаще всего упоминали фантасты в своих произведениях, посвященных покорению космоса, их же можно встретить и в научно-фантастических фильмах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.

Британцы занялись разработкой гибридного ракетного двигателя

Британская компания Reaction Engines занялась разработкой относительно компактного гиперзвукового реактивного двигателя для ракет, который будет эффективно работать как в атмосфере, так и в вакууме. При этом, как пишет Aviation Week, силовая установка сможет функционировать без сбоев во всех диапазонах скоростей, начиная дозвуковым и заканчивая гиперзвуковым. Новая установка будет собираться по гибридной схеме, совмещая в себе преимущества атмосферного реактивного и ракетного двигателей, и ее можно будет использовать повторно.

Сегодня ракеты-носители в зависимости от класса имеют несколько ступеней, двигатели каждой из которых работают на строго определенном участке полета. При этом все двигатели являются ракетными, то есть и горючее, и окислитель для их работы подаются из баков в самих ступенях ракеты. Такая конструкция проверена десятилетиями, однако имеет несколько недостатков. В их числе, например, — относительно небольшой забрасываемый вес ракеты-носителя при ее существенных габаритах.

Новый гибридный гиперзвуковой реактивный двигатель позволит сделать ракеты-носители компактнее. Установка получила название SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, синергичный атмосферный ракетный двигатель). Общие ее габариты будут соответствовать габаритам турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой F135, устанавливаемого на американские истребители F-35 Lightning II. Его длина составляет 5,6 метра, а диаметр — 1,2 метра.

Предполагается, что двигатель получит универсальные камеру сгорания и сопло, по конструкции во многом схожие с подобными элементами обычного ракетного двигателя. На старте и при разгоне SABRE будет работать как обычный прямоточный реактивный двигатель, используя для сжигания топлива воздух. Этот воздух будет подаваться в газогенератор по обводным воздухозаборникам, идущим вокруг системы подачи топлива и окислителя. При достижении скорости в пять чисел Маха (6,2 тысячи километров в час) двигатель будет переходить в ракетный режим.

Гелиевая система охлаждения SABRE

Для охлаждения поступающего воздуха Reaction Engines уже разработали соответствующую систему. Она представляет собой сеть трубок диаметром один миллиметр и общей протяженностью около двух тысяч километров. Толщина стенки одной трубки составляет 20 микрон. Сеть этих трубок будет покрывать внешнюю стенку воздуховодов. В сами трубки под давлением в 200 бар (197 атмосфер) будет подаваться гелий, выполняющий роль теплоносителя. По расчетам разработчиков, система позволит охлаждать поступающий воздух за 1/100 секунды.

На первом этапе разработки британская компания планирует создать гибридный двигатель — демонстратор технологий. В атмосферном режиме он сможет развивать тягу до 196 килоньютонов. При этом полноценная силовая установка в этом режиме будет выдавать уже 667 килоньютонов. Для сравнения, двигатель F135 способен развивать тягу в 191 килоньютон в режиме форсажа. Первые испытания демонстратора технологий планируется провести через 12–15 месяцев, а полноценной силовой установки — в 2020–2021 годах.

SABRE позволит создавать одноступенчатые ракеты-носители, причем силовую установку, в отличие от обычных ракетных двигателей, можно будет использовать повторно. По оценке британской компании, гибридный гиперзвуковой двигатель будет иметь несколько преимуществ. Во-первых, он упростит конструкцию ракет-носителей. Во-вторых, повторное его использование позволит сделать запуски грузов в космос дешевле. Наконец, потребление топлива новой силовой установкой будет значительно меньше, чем у обычных ракетных двигателей.

В настоящее время многие страны занимаются разработкой новых силовых установок для ракет-носителей. Так, в конце августа текущего года индийская Организация космических исследований провела первые успешные испытания гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Такие силовые установки индийцы планируют устанавливать на ракеты-носители, что позволит отказаться от части запаса жидкого окислителя, а значит, сделать массу ракеты меньше. Это в свою очередь позволит несколько увеличить забрасываемый вес.

Топливо взрывается — полет нормальный

Детонация — это взрыв. Можно ли ее сделать управляемой? Можно ли на базе таких двигателей создать гиперзвуковое оружие? Какие ракетные двигатели будут выводить необитаемые и пилотируемые аппараты в ближний космос? Об этом наш разговор с заместителем гендиректора — главным конструктором «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко» Петром Левочкиным.

Петр Сергеевич, какие возможности открывают новые двигатели?

Петр Левочкин: Если говорить о ближайшей перспективе, то сегодня мы работаем над двигателями для таких ракет, как «Ангара А5В» и «Союз-5», а также другими, которые находятся на предпроектной стадии и неизвестны широкой публике. Вообще наши двигатели предназначены для отрыва ракеты от поверхности небесного тела. И она может быть любой — земной, лунной, марсианской. Так что, если будут реализовываться лунная или марсианская программы, мы обязательно примем в них участие.

Какова эффективность современных ракетных двигателей и есть ли пути их совершенствования?

Петр Левочкин: Если говорить об энергетических и термодинамических параметрах двигателей, то можно сказать, что наши, как, впрочем, и лучшие зарубежные химические ракетные двигатели на сегодняшний день достигли определенного совершенства. Например, полнота сгорания топлива достигает 98,5 процента. То есть практически вся химическая энергия топлива в двигателе преобразуется в тепловую энергию истекающей струи газа из сопла.

Совершенствовать двигатели можно по разным направлениям. Это и применение более энергоемких компонентов топлива, введение новых схемных решений, увеличение давления в камере сгорания. Другим направлением является применение новых, в том числе аддитивных, технологий с целью снижения трудоемкости и, как следствие, снижение стоимости ракетного двигателя. Все это ведет к снижению стоимости выводимой полезной нагрузки.

Однако при более детальном рассмотрении становится ясно, что повышение энергетических характеристик двигателей традиционным способом малоэффективно.

Петр Левочкин: Увеличение давления и расхода топлива в камере сгорания, естественно, увеличит тягу двигателя. Но это потребует увеличение толщины стенок камеры и насосов. В результате сложность конструкции и ее масса возрастают, энергетический выигрыш оказывается не таким уж и большим. Овчинка выделки стоить не будет.

То есть ракетные двигатели исчерпали ресурс своего развития?

Петр Левочкин: Не совсем так. Выражаясь техническим языком, их можно совершенствовать через повышение эффективности внутридвигательных процессов. Существуют циклы термодинамического преобразования химической энергии в энергию истекающей струи, которые гораздо эффективнее классического горения ракетного топлива. Это цикл детонационного горения и близкий к нему цикл Хамфри.

Сам эффект топливной детонации открыл наш соотечественник — впоследствии академик Яков Борисович Зельдович еще в 1940 году. Реализация этого эффекта на практике сулила очень большие перспективы в ракетостроении. Неудивительно, что немцы в те же годы активно исследовали детонационный процесс горения. Но дальше не совсем удачных экспериментов дело у них не продвинулось.

Теоретические расчеты показали, что детонационное горение на 25 процентов эффективней, чем изобарический цикл, соответстветствующий сгоранию топлива при постоянном давлении, который реализован в камерах современных жидкостно-рактивных двигателей.

А чем обеспечиваются преимущества детонационного горения по сравнению с классическим?

Петр Левочкин: Классический процесс горения — дозвуковой. Детонационный — сверхзвуковой. Быстрота протекания реакции в малом объеме приводит к огромному тепловыделению — оно в несколько тысяч раз выше, чем при дозвуковом горении, реализованному в классических ракетных двигателях при одной и той же массе горящего топлива. А для нас, двигателистов, это означает, что при значительно меньших габаритах детонационного двигателя и при малой массе топлива можно получить ту же тягу, что и в огромных современных жидкостных ракетных двигателях.

Не секрет, что двигатели с детонационным горением топлива разрабатывают и за рубежом. Каковы наши позиции? Уступаем, идем на их уровне или лидируем?

Петр Левочкин: Не уступаем — это точно. Но и сказать, что лидируем, не могу. Тема достаточно закрыта. Один из главных технологических секретов состоит в том, как добиться того, чтобы горючее и окислитель ракетного двигателя не горели, а взрывались, при этом не разрушая камеру сгорания. То есть фактически сделать настоящий взрыв контролируемым и управляемым. Для справки: детонационным называют горение топлива во фронте сверхзвуковой ударной волны. Различают импульсную детонацию, когда ударная волна движется вдоль оси камеры и одна сменяет другую, а также непрерывную (спиновую) детонацию, когда ударные волны в камере движутся по кругу.

Насколько известно, с участием ваших специалистов проведены экспериментальные исследования детонационного горения. Какие результаты были получены?

Петр Левочкин: Были выполнены работы по созданию модельной камеры жидкостного детонационного ракетного двигателя. Над проектом под патронажем Фонда перспективных исследований работала большая кооперация ведущих научных центров России. В их числе Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, МАИ, «Центр Келдыша», Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Механико-математический факультет МГУ. В качестве горючего мы предложили использовать керосин, а окислителя — газообразный кислород. В процессе теоретических и экспериментальных исследований была подтверждена возможность создания детонационного ракетного двигателя на таких компонентах. На основе полученных данных мы разработали, изготовили и успешно испытали детонационную модельную камеру с тягой в 2 тонны и давлением в камере сгорания около 40 атм.

Данная задача решалась впервые не только в России, но и мире. Поэтому, конечно, проблемы были. Во-первых, связанные с обеспечением устойчивой детонации кислорода с керосином, во-вторых, с обеспечением надежного охлаждения огневой стенки камеры без завесного охлаждения и массой других проблем, суть которых понятна лишь специалистам.

Можно ли использовать детонационный двигатель в гиперзвуковых ракетах?

Петр Левочкин: И можно, и нужно. Хотя бы потому, что горение топлива в нем сверхзвуковое. А в тех двигателях, на которых сейчас пытаются создать управляемые гиперзвуковые летательные аппараты, горение дозвуковое. И это создает массу проблем. Ведь если горение в двигателе дозвуковое, а двигатель летит, допустим, со скоростью пять махов (один мах равен скорости звука), надо встречный поток воздуха затормозить до звукового режима. Соответственно, вся энергия этого торможения переходит в тепло, которое ведет к дополнительному перегреву конструкции.

А в детонационном двигателе процесс горения идет при скорости как минимум в два с половиной раза выше звуковой. И, соответственно, на эту величину мы можем увеличить скорость летательного аппарата. То есть уже речь идет не о пяти, а о восьми махах. Это реально достижимая на сегодняшний день скорость летательных аппаратов с гиперзвуковыми двигателями, в которых будет использоваться принцип детонационного горения.

Что будет дальше?

Петр Левочкин: Это сложный вопрос. Мы только приоткрыли дверь в область детонационного горения. Еще очень много неизученного осталось за скобками нашего исследования. Сегодня совместно с РКК «Энергия» мы пытаемся определить, как может в перспективе выглядеть двигатель в целом с детонационной камерой применительно к разгонным блокам.

На каких двигателях человек полетит к дальним планетам?

Петр Левочкин: По-моему мнению, еще долго мы будем летать на традиционных ЖРД занимаясь их совершенствованием. Хотя безусловно развиваются и другие типы ракетных двигателей, например, электроракетные (они значительно эффективнее ЖРД — удельный импульс у них в 10 раз выше). Увы, сегодняшние двигатели и средства выведения не позволяют говорить о реальности массовых межпланетных, а уж тем более межгалактических перелетов. Здесь пока все на уровне фантастики: фотонные двигатели, телепортация, левитация, гравитационные волны. Хотя, с другой стороны, всего сто с небольшим лет назад сочинения Жюля Верна воспринимались как чистая фантастика. Возможно, революционного прорыва в той сфере, где мы работаем, ждать осталось совсем недолго. В том числе и в области практического создания ракет, использующих энергию взрыва.

«Научно-производственное объединение Энергомаш» основано Валентином Петровичем Глушко в 1929 году. Сейчас носит его имя. Здесь разрабатывают и выпускают жидкостные ракетные двигатели для I, в отдельных случаях II ступеней ракет-носителей. В НПО разработано более 60 различных жидкостных реактивных двигателей. На двигателях «Энергомаша» был запущен первый спутник, состоялся полет первого человека в космос, запущен первый самоходный аппарат «Луноход-1». Сегодня на двигателях, разработанных и произведенных в НПО «Энергомаш», взлетает более девяноста процентов ракет-носителей в России.

Что такое ракетные реактивные двигатели

1. Схема давления в закрытой камере.

РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
И САМОЛЕТЫ

Б. РАБИНОВИЧ и Р. ВИНОГРАДОВ

В начале 1944 года, когда под ударами Красной Армии дрогнули и покатились назад немецкие полчища, геббельсовская печать и радио на все лады закричали о «новом секретном оружии», которое поставит «мир на колени».

На мирные кварталы Лондона обрушились немецкие реактивные самолеты-снаряды. Но это «оружие возмездия», как хвастливо окрестили его фашистские писаки, не помогло. Немцы продолжали нести поражения на фронтах.

Снова закрутилась в свистопляске гитлеровская пропаганда, устрашая мир «совершенно новым сверхсекретным оружием».

Судьбу «сверхсекретного» постигла та же участь, что и «секретного». Ни реактивные истребители «мотыльки смерти», ни новые ракеты «Фау-2» не спасли Германию от разгрома.

Реактивные аппараты имеют большую историю. Ракета как летательный аппарат была известна ещё в глубокой древности. В летописях сказано, что в середине XIII века китайцы и арабы для устрашения противника пользовались пороховыми ракетами. У ракет была причудливая внешняя оболочка, и назывались они поэтому летающими драконами. В XVIII столетии ракетное оружие получило широкое распространение в Индии, а оттуда было завезено полковником Конгрэвом в Англию. Конгрэв усовершенствовал ракеты настолько, что они могли конкурировать с артиллерией того времени. В 1807 году ему удалось с помощью нескольких тысяч ракет, выпущенных кораблями с моря, поджечь город Копенгаген.

После этого ракетные снаряды были приняты на вооружение большинством европейских стран. В XIX веке, после изобретения нарезных стволов, начала бурно развиваться артиллерия. О ракетных снарядах почти забыли.

В начале XX века гениальный русский учёный и изобретатель К. Э. Циолковский впервые разработал теорию полёта ракеты и дал несколько схем ракетного корабля. В своей работе «Исследование мирового пространства реактивными приборами», изданной в 1903 году, он собрал отдельные отрывочные факты в стройную систему и положил этим начало новой науке. Учёные и инженеры начали заниматься теорией и практикой ракетного полёта. Однако во время первой мировой войны ракетные снаряды почти не нашли применения.

В двадцатых годах нашего столетия был сконструирован планёр с двигателем, состоящим из пороховых ракет. Но и он не представлял практической ценности, так как ракеты требовали очень много пороху, а двигатель действовал всего несколько секунд.

Лишь во время второй мировой войны наряду с массовым применением ракетной артиллерии были впервые выпущены самолёты с реактивными двигателями.

В чём сущность действия такого двигателя?

Рассмотрев чертёж 1, мы увидим, что в закрытой камере (А) давление распространяется во все стороны одинаково. Если в задней части камеры сделать отверстие (В), давление на переднюю стенку ничем не будет уравновешиваться. Оно и создаст реактивную тягу (Р).

В настоящее время имеются два вида реактивных двигателей: жидкостные и воздушные. Различие их состоит в том, что жидкостные работают независимо от окружающей среды на жидком окислителе, тогда как воздушные нуждаются в кислороде воздуха.

Жидкостный реактивный двигатель состоит: из камеры сгорания с соплом, баков для горючего и окислителя, реакционной камеры, устройств для подачи топлива и системы зажигания для пуска двигателя. В качестве окислителя чаще всего используется перекись водорода, которая разлагается в реакционной камере на кислород и воду. Выделяющееся при этом тепло используют для превращения воды в пар. Полученный пар направляется в турбину, вращающую насос для подачи топлива.

Жидкостные реактивные двигатели имеют свои достоинства и недостатки. К недостаткам относится то, что очень трудно подобрать материал для камеры сгорания, который не плавится при температуре в 2,5 тысячи градусов. Кроме того двигатели могут работать непрерывно только 5 — 10 минут, они недолговечны и требуют большого количества горючего.

Крупное достоинство их — полная независимость от окружающей среды. Можно бесспорно утверждать, что это двигатель будущего, ибо только он может позволить человеку осуществить полёт в мировом безвоздушном пространстве.

Другим достоинством является возможность получить очень большую тягу при небольших сравнительно размерах двигателя.

Жидкостный реактивный двигатель был использован немцами при постройке истребителей-перехватчиков, которые могут набирать высоту со скоростью почти в 5 раз большей, чем обычные истребители. Примером таких истребителей является немецкий «Ме-163».

По тому же принципу была построена немецкая ракета «Фау-2», двигатель которой работал всего одну минуту, сообщая ей скорость около 5 тысяч км в час.

Воздушные двигатели бывают трёх типов: прямоточные, пульсирующие и турбокомпрессорные.

Прямоточный двигатель имеет большой недостаток. Он начинает действовать только после того, как ему сообщат определённую скорость. Применения он пока не нашёл.

Пульсирующий двигатель (чертеж 2) состоит из камеры сгорания, сопла в форме длинной трубы, клапанной решётки, систем зажигания и подачи горючего. Зажигание нужно только при запуске, потому что в дальнейшем камера сгорания нагревается настолько, что смесь самовоспламеняется.

В первый момент клапаны закрыты, и после воспламенения смеси волна сжатия пробегает по трубе и, отражаясь от открытого конца, возвращается ввиде волны разряжения. Под влиянием разряжения клапаны открываются и в камеру сгорания попадает определённое количество воздуха. Вновь впрыскивается автоматом горючее, и происходит новая вспышка. Давление в камере сгорания резко возрастает, и клапаны закрываются. Процесс повторяется периодически с частотой примерно 50 циклов в секунду.

Немецкий «Фау-1» и представлял собой небольшой самолёт простейшей конструкции с пульсирующим воздушно-реактивным двигателем. Он переносил одну тонну взрывчатого вещества на расстояние 250 — 300 километров. Управление было автоматическое. Но попадания «Фау-1» были неточные; немцы применяли их для варварской «площадной» бомбардировки английских городов.

Турбокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель (чертёж 3) состоит из компрессора (1), турбины (2), камеры сгорания (3), входного патрубка (4), регулирующего конуса (5) и сопла (6).

2. Пульсирующий двигатель.

Нагретый при сжатии воздух поступает в камеры, куда впрыскивается горючее. Сгорание происходит при постоянном давлении, и все продукты сгорания направляются на лопатки турбины. Далее газы выходят через сопло, создавая реактивную тягу. Скорость истечения газов регулируется подвижным конусом.

Несмотря на то что турбокомпрессорный двигатель тяжелее по весу и сложнее по конструкции, он все же нашел более широкое применение благодаря большой экономичности. Коэфициент полезного действия ((КПД) его при скоростях, близких к 1000 километрам в час, достигает 10-13 процентов, т. е. приближается к КПД обычной винтомоторной группы.

Турбокомпрессорный двигатель может работать на дешёвом топливе, имеющем низкую температуру воспламеняемости. Но при малых скоростях у него ничтожный КПД и большая длина пробега при взлёте.

Отличия конструкции самолётов с реактивными двигателями незначительны. Хвостовое оперение располагается более высоко, чтобы струи выходящих газов не касались его. Двигатель размещается под крыльями по обеим сторонам фюзеляжа или в самом фюзеляже.

Воздушно-реактивный двигатель открыл широчайшие перспективы повышения скорости полета. В прошлом году английский реактивный истребитель «Глостер-Метеор» установил мировой рекорд скорости — 970 километров в час. Недавно американский самолёт с воздушным реактивным двигателем «Шутинг Стар» пролетел без посадки 3882 километра за 3 часа 42 минуты.

Реактивный двигатель найдёт себе в будущем применение на всех самолётах, совершающих дальние перелёты с большими скоростями, будь то транспортные, пассажирские или военные. Он открывает новые широчайшие возможности для самолетостроения и прокладывает путь к стратопланам с жидкостно-реактивными двигателями, со скоростью полета в несколько тысяч километров в час на высоте 30-40 километров. Создание таких машин — вопрос недалекого будущего.