Файл: Киселев, С. П. Ракета в воздушном океане.pdf

С. Н. Киселев

РАКЕТА

в в о з д у ш н о е

ОКЕАНЕ

Издание второе, переработанное и дополненное

Москва «МАШИНОСТРОЕНИЕ

1974

К44

Киселев С. П. Ракета в воздушном океане. М., «Машинострое­ ние», 1974, 152 с.

Вкниге в популярной форме рассказывается об основах науки, которая изучает законы полета ракет в условиях атмосферы, — об аэродинамике ракет.

Вней рассматриваются особенности полета ракет с дозвуковыми

исверхзвуковыми скоростями, вопросы аэродинамического нагрева,

даются понятия об аэродинамических органах управления, стабилиза­ ции ракет в полете, их рассеивании.

Кратко описаны экспериментальные методы испытания ракет. Книга выходит вторым изданием. Первое издание книги вышло

в 1965 г.

Книга написана занимательно и может быть полезна широкому кругу читателей.

Табл. 3, ил. 54, список лит. 15 назв.

Рецензент д-р. техн. наук, проф. А. А. Дмитриевский.

©Издательство «Машиностроение», 1974ГУ

строения, электроники, быстродействующих счетных ма­ шин, синтеза новых материалов, позволили воплотить в жизнь вековую мечту человечества — открыть путь в космос.

Страна Советов первой в мире начала осуществлять смелые научные эксперименты в космосе, увенчавшиеся 12 апреля 1961 г. полетом гражданина Советского Союза Ю. А. Гагарина на корабле-спутнике «Восток».

Со времени запуска первых искусственных спутников Земли прошло немногим более полутора десятков лет, но мы уже не только все более уверенно вторгаемся в косми­ ческое пространство, но и широко используем результа­ ты космических исследований, наблюдений, эксперимен­ тов для нужд народного хозяйства.

Искусственные спутники Земли стали удобным и наи­ более выгодным средством дальней связи: благодаря им возможны телевизионные передачи в самые отдаленные районы страны, с их помощью осуществляется многока­ нальная телефонная, фототелеграфная и телеграфная связь.

Искусственные спутники ведут наблюдение за разви­ тием метеорологических явлении па нашей планете, сво­ евременно предупреждают людей о штормах и тайфунах. С их помощью проводятся геологические, гидрологиче­ ские, геодезические и океанографические исследования, они служат интересам лесного и сельского хозяйства. Развитие космической техники оказывает большое влия­ ние и на другие области знании и практической деятель­ ности людей. Неисчерпаемые возможности кроются в исследовании космоса. Вот поэтому уходят космические корабли и автоматические станции на околоземные орби­ ты к Луне, Марсу, Венере, поэтому создаются орбиталь­ ные долговременные станции.

Но какой же путь проделало человечество от мечты до создания современных космических кораблей?

История развития ракет уходит в глубь веков. Прин­ цип реактивного движения был знаком людям еще в древ­ ности. Известно, что появление ракет было связано с изобретением пороха.

Простейшие пороховые ракеты были созданы в Китае более двух тысяч лет тому назад. В то время ракеты слу­ жили в основном для увеселительных целей.

Постепенно ракеты совершенствовались. В XIII веке китайцы создали «стрелы неистового огня»: бамбуковые трубки, наполненные порохом. Для того чтобы такие стрелы-ракеты были устойчивы при полете, к ним при­ крепляли тростниковые хвосты.

Подобные стрелы применялись н в Индии, в основном для поджога строений во время военных действий. В кон­ це XVIII столетия индусы широко использовали ракеты уже как средство поражения в борьбе с английскими колонизаторами.

В Европе пороховые ракеты появились в средние века как праздничные фейерверки, и лишь в начале XIX сто­ летия были созданы боевые ракеты.

А как шло развитие ракет в пашей стране?

Первые сведения об изготовлении дымного пороха на Руси относятся к XIV веку. Видимо, в этот же период появились и первые пороховые ракеты. К копну XVI ве­ ка русские уже хорошо знали устройство зажигательных I! боевых ракет. А в первой половине XIX столетня рус­ ская армия имела па вооружении несколько видов бое­ вых и зажигательных ракет.

4

Во второй половине XIX века нарезная артиллерия, которая имела значительно большую дальность стрель­ бы, а также более высокую точность попадания снаря­ дов в цель, вытеснила боевые ракеты: они потеряли свое значение и были сняты с вооружения.

Новый этап в развитии ракетной техники открыли труды выдающихся русских ученых, создавших теорию реактивного движения,—Н. Ё. Жуковского, И. В. Мещер­ ского и особенно К. Э. Циолковского.

Настоящая книга расскажет читателю о законах дви­ жения ракет в условиях атмосферы, когда на полет ра­ кет и вообще летательных аппаратов оказывает действие окружающий нас воздух.

Положения аэродинамики относятся не только к ра­ кетам, но к любым летательным аппаратам тяжелее воз­ духа (самолетам, вертолетам, реактивным снарядам и т. п.). Поэтому в книге, наряду со словом ракета, будет использоваться и выражение «летательный аппарат», ко­ торое является более общим, или «тело», под которым следует понимать любой летательный аппарат тяжелее воздуха (ракета, самолет, самолет-снаряд, снаряд).

Современные ракеты и космические корабли летают за пределами атмосферы. Но улетая в космос и возвра­ щаясь на Землю, эти аппараты проходят слой атмосфе­ ры, следовательно, пни также подчиняются законам по­ лета в атмосфере. Другие виды ракет совершают весь свой полет в пределах плотных слоев атмосферы Земли, т. е. весь их полет подчиняется законам полета в атмо­ сфере.

Современные ракеты, учитывая особенности их поле­ та. можно разделить на два больших класса: крылатые и баллистические. Отличие крылатых ракет от баллисти­ ческих, с точки зрения принципа их полета в воздухе, состоит в следующем.

Крылатые ракеты, как следует из их названия, имеют крылья. Крыльями создается основная часть подъемной аэродинамической силы, корпусом же и другими аэроди­ намическими поверхностями — сравнительно небольшая ее часть. Подъемная сила удерживает крылатые ракеты в воздухе при их полете: масса ракеты уравновешивает­ ся подъемной силой. Для того чтобы крылатый аппарат поднялся с земли в воздух и мог летать, тяга его двига­ телей должна составлять всего 5Q—70 % от стартовой

5

Космические корабли, баллистические ракеты крыль­ ев не имеют. В основе их полета лежит реактивный прин­ цип. Запускаются они со стартовых установок, как правило, под углом 90° к горизонту. Для вздета баллисти­ ческой ракеты необходимо, чтобы тяга двигателей, созда­ ющих подъемную силу, превышала вес ракеты в 1,5—2 раза, в то время как для подъема крылатой ракеты, как указывалось ранее, это соотношение составляет 50—70 %• Двигатели баллистических ракет должны быть во много раз мощнее двигателей крылатых ракет.

Реактивные двигатели сообщают большие скорости этим ракетам. При полете ракеты, когда скорость ее до­ стигает расчетной величины, двигатели выключаются, система управления наклоняет ракету на заданный угол к горизонту. Для получения наибольшей дальности ра­ кеты (при прочих равных условиях) этот угол (между продольной осью ракеты и горизонтом — угол бросания) в момент выключения двигателя должен быть около 45°.

Участок траектории, на котором работают двигатели, называется а к т и в н ы м. Участок траектории после отк­ лючения двигателя и до точки падения ракеты — п а с ­ с ив ным. После выключения двигателей ракета летит по баллистической траектории как артиллерийский сна­ ряд, пуля или камень, Орошенный человеком.

Для того чтобы ракета стала космическим кораблем, т. е. преодолела силу притяжения Земли, ей необходимо сообщить первую космическую скорость, которая равна 7,91 км/с. Па летящий в атмосфере космический ко­ рабль, баллистическую ракету воздух оказывает вред­ ное воздействие: он создает сопротивление, тормозящее полет ракеты, при этом происходит аэродинамический нагрев, который так же вреден. Но следует указать, что воздух оказывает неоценимое положительное значение при спуске космического корабля на Землю. Пилотиру­ емый космический корабль должен возвратиться на Зем­ лю. Если бы не было атмосферы, то для торможения его потребовалось бы столько же топлива, сколько и для вы­ вода на орбиту. Например, для спуска десятитонного корабля пришлось бы применять трехступенчатую раке­ ту с начальной массой 170 т.

При современном состоянии техники такую задачу ре­ шать очень сложно. Вот здесь воздух, оказывая сопро­ тивление спускающейся на Землю ракете, и приносит

7

Г л а в а I

ОБ ОСНОВНЫХ ЗАКОНАХ АЭРОДИНАМИКИ

Аэродинамика стала самостоятельной отраслью зна­ ний во второй половине прошлого столетия в связи с развитием нарезной артиллерии и авиации. Конечно, от­ дельные ее положения и законы открыты были значи­ тельно раньше. В эту науку внесли свой вклад выдаю­ щиеся ученые прошлого Леонардо да Винчи, М. В. Ло­ моносов, К. Бернулли, Л. Эйлер и др.

Силы, возникающие при движении воздушных масс, — аэродинамические силы — люди используют из­ давна. Например, с незапамятных времен силой ветра приводились в действие ветряные мельницы. Парусные суда бороздили моря и океаны. Мечта человека летать подобно птицам возникла также в глубокой древности. Можно смело сказать, что в основе аэродинамики лежит тщательное и длительное изучение полета птиц. Перед человеком возник вопрос, каким образом получить силу, которая, преодолев сопротивление воздуха, подняла бы его над Землей?

Первые попытки полета человек связывал со стремле­ нием использовать силы, которые появляются при дви­ жении тел в воздухе, — аэродинамические силы.

После опытов, проведенных братьями Монгольфье с воздушными шарами — аэростатами — в конце XVIII и начале XIX столетия, ученые разных стран заинтересова­ лись идеей полета на аппаратах легче воздуха. Было соз­ дано много различных типов таких аппаратов. Но уже тогда стало ясно, что широкого распространения они не получат, так как обладают весьма серьезными недостат­ ками: имеют большие размеры и практически неуправля-

9