книги из ГПНТБ / Мошкин, Е. К. Развитие отечественного ракетного двигателестроения

моментальный, и, наоборот, он может быть медленным, как горение...» і.

Рассматривая работу камеры сгорания во взаимосвя­ зи с системой подачи, ученый приходит к выводу о необ­ ходимости ограничивать давление в камере: «Мы можем сейчас указать на потребный минимум давления». И вы­ вод: «Во всяком случае, можно ограничиться 100 ат»2.

Втолько что цитируемой работе Циолковский описы­ вает процесс перехода тепла, выделяющегося при сгора­ нии топлива, в кинетическую энергию газовой струи и приводит результаты своих расчетов.

Вэтой же работе отмечены особенности устройства некоторых деталей ракеты и двигателя. В отношении соп­

ла были высказаны следующие соображения: «Но чем угол его больше, тем более и потери энергии, так как дви­ жение газов уклоняется в сторону. Все же при угле в 10° потеря почти незаметна» 34.Однако в 1927 г. он уже реко­ мендует уточнить оптимальное значение угла уширения сопла на основе опыта.

В 1927 г. в труде «Космическая ракета. Опытная под­ готовка» так описывается способ ввода топлива в каме­ ру и подготовки его к горению: «...решетки с косыми ды­ рами для лучшего смешения углеводорода с кислородной смесью. Начало взрывной трубы перегорожено каналом. По одной половине устремляется кислородная смесь, по другой — углеводород» '•

Разработки систем подачи

Схему системы подачи топлива в камеру ракетного двигателя К. Э. Циолковский разработал в 1903 г. В ра­ боте «Исследование мировых пространств реактивными приборами» К- Э. Циолковский предложил и сам ориен­ тировался на систему подачи с разгруженными баками, т. е. такими, в которых топливо находится под низким давлением.

Вначале, ориентируясь на весьма высокие давления в камере сгорания, К. Э. Циолковский пришел к выводу о необходимости применения импульсного режима подачи топлива. В 1914 г. он писал: «...от накачивания обыкно­

1 Циолковский К. Э. Собр. соч., т. 2. Изд. АН СССР. М., 1954, с. 201.

2 Там же, с. 202.

3 Там же, с. 247.

4 Там же, с. 263.

40

венными способами надо отказаться. Всего проще вкла­ дывать в трубу известный заряд и дать ему взорваться и улетучиться. Затем, при отсутствии давления в трубе вдвинуть другой заряд и т. д.» А Здесь же была высказа­ на мысль о возможности применения газоструйного эжектора: «гУ самого устья трубы должно быть ответвле­ ние, по которому газы поворачивают опять к устью и в силу своей быстроты втягивают и вталкивают взрывча­ тый материал непрерывной струей в самое устье взрыв­ ной трубы» 21

Анализ весовых качеств системы подачи привел уче­ ного к мысли о необходимости снизить давление в каме­ ре, выбрать его оптимальное значение «При высоком дав­ лении, — пишет Константин Эдуардович в 1926 ис­ пользование энергии велико, но требуется неодолимо большая работа для вталкивания масс во взрывную тру­ бу. Поэтому надо по возможности, не очень теряя в ис­ пользовании, понизить максимальное давление в трубе»3-

Идея пульсирующей подачи была им сформулирова­ на так: «...мооісно сделать так, чтобы давление в начале трубы периодически менялось, например, от 200 ат до ну­ ля и от нуля до 200 ат. Оно будет волнообразно» 4-

К- Э. Циолковский считал, что стенки баков должны являться и оболочкой ракеты. «Основная оболочка раке­ ты, — пишет Константин Эдуардович в 1926 т., — долж­ на выдерживать безопасно давление не меньше 0,2 ат, ес­ ли она наполнена чистым кислородом»5. «Тогда для хра­ нения их (т. е. компонентов топлива) могут служить обыкновенные баки или даоісе сама разгороженная ра­ кета»6. Такие ракеты нашли самое широкое применение. Таким образом, К. Э. Циолковский предложил так на­ зываемые «несущие баки», т. е. такие топливные баки, боковая поверхность которых является одновременно внешней оболочкой топливного отсека и воспринимает внешние продольные силовые нагрузки и изгибающие мо­ менты, действующие на отсек. Применение несущих ба­

41

В1927 г. ученый предлагает установить между бака­ ми и камерой насосный агрегат: «... — два насоса, приво­ димые в движение одним двигателем. Первый накачива­ ет во взрывнию труби кислородные соединения, другой— водородные»1. Расчеты показали, что расход топлива на привод в действие насосов незначителен: «...на мотор вы­ ходит горючего в несколько сотен раз меньше, чем на взрывную трубу» 1.2

Врезультате исследований особенностей и условий ра­ боты отдельных агрегатов и системы ракеты в 1927 г. в

труде «Космическая ракета. Опытная подготовка» К- Э. Циолковский дал описание запуска и работы дви­ гателя на режиме.

Константин Эдуардович Циолковский — выдающийся исследователь, научная деятельность которого поражает необыкновенной широтой. Ему принадлежат многие от­ крытия в области ракетодпнамикн, аэродинамики, теории авиации, теории межпланетных сообщений, теории дви­ гателей и т. д. Работы по ракетам, выполненные К. Э. Ци­ олковским, не представляли собой мало-мальски оформ­ ленный технический пли эскизный проект. О конструк­ ции можно было получить представление лишь на осно­ вании расчетов и описания.

Главное в работах Циолковского — доказательство осуществимости постройки крупной космической ракеты с ЖРД, подкрепленное расчетами. К. Э. Циолковский указал путь в космос. Советские и зарубежные ученые признают приоритет Циолковского как основоположни­ ка теоретической космонавтики. Именем Циолковского назван кратер на обратной стороне Лупы. Константин Эдуардович Циолковский—-признанный глава нового направления в науке и технике— космонавтики и раке­ тостроения.

В связи с пусками первых в мире искусственных спутников Зем­ ли была учреждена золотая настольная «Медаль Циолковского», присуждаемая Академией наук СССР за выдающиеся работы в об­ ласти межпланетных сообщении. В 1958 г. первая медаль была вру­ чена главному конструктору ракет и космических кораблей акаде­ мику Сергею Павловичу Королеву, а вторая медаль присуждена главному конструктору ракетных двигателей.

42

Юрий

Васильевич

Кондратюк

1.4. ОДИН ИЗ ПИОНЕРОВ РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ Ю . В. КОНДРАТЮК

Попытки историков написать подробную биографию Ю. В. Кондратюка — талантливого самородка, замеча­ тельного ученого, механика, изобретателя, автора широко известных трудов «Завоевание межпланетных прост­ ранств» и «Тем, кто будет читать, чтобы строить»—еще не увенчались полным успехом. Слишком мало сохрани­ лось архивных документов.

Юрий Васильевич Кондратюк родился в 1897 г. на Украине, в г. Полтаве. Тяжелые условия жизни не позволили ему получить за­ конченное образование: Ю. В. Кондратюк работал по найму, колол и пилил дрова, был смазчиком, механиком на мельницах. Он само­ стоятельно изучал математику, физику, химию. Еще в юности Ю. В. Кондратюк заинтересовался теорией межпланетных сообщений. В 1918 г., просматривая старые журналы, он познакомился с одной из статей К- Э. Циолковского о стратоплане, а с другими работами К. Э. Циолковского, в частности, со статьей «Исследование миро­ вых пространств реактивными приборами» (напечатанной в 1911 г.), лишь в 1925 г.

.Основные проблемы и физические принципы межпла­

43

нетных полетов Ю. В. Кондратюк изложил в труде «Тем, кто будет читать, чтобы строить». Работа над рукописью была начата в 1916 г. и закончена в 1919 г. Этот труд Юрия Васильевича был впервые опубликован в 1964 г. Опираясь на свои исследования и познакомившись с не­ которыми работами К. Э. Циолковского, Ю. В. Кондра­ тюк несколько раз перерабатывал свой труд. Им прове­ дены тщательные исследования ряда ракетно-космических проблем, даны их новые решения, выполнено значитель­ ное количество расчетов.

Основное уравнение движения ракеты Ю. В. Кондра­ тюк получил своим оригинальным методом независимо от К- Э. Циолковского, с трудами которого он познако­ мился позднее.

В 1925 г. рукопись «Завоевание межпланетных про­ странств» он направил профессору В. П. Ветчинкину (1885—1950) и получил от него обстоятельный положи­ тельный отзыв.

Окрыленный успехом, Ю- В. Кондратюк предложил свои исследования и в 1929 г. опубликовал эту рукопись в г. Новосибирске под редакцией профессора В. П. Ветчинкина. В предисловии к книге Владимир Петрович 4/ХП 1927 г. писал следующее.

«Предлагаемая книжка Ю. В. Кондратюка, несомнен­ но, представляет наиболее полное исследование по меж­ планетным путешествиям из всех писавшихся в русской и иностранной литературе до последнего времени. Все исследования проделаны автором совершенно самостоя­ тельно. В книжке освещены с исчерпывающей полнотой все вопросы, затронутые и в других сочинениях, и, кроме того, разрешен целый ряд новых вопросов первостепен­ ной важности, о которых другие авторы не упоминают.

К числу последних относятся:

Предложение пользоваться твердыми горючими (ли­ тий, бор, алюминий, магний, силиций) в дополнение к газообразным, как для повышения теплоты сгорания, так и для применения сжигаемых баков, которые после опорожнения от жидкого горючего сами обрабатывают­ ся и направляются в печь. Такое же предложение было высказано инженером Ф. А. Цандером на докладе в те­ оретической секции Московского общества любителей астрономии в декабре 1923 г., но в рукописи Ю. В. Кон­ дратюка это предложение фигурировало раньше доклада Цандера.

44

Ом первый дал формулу, учитывающую влияние веса баков для горючего и кислорода (пропорциональный пас­ сив по терминологии автора) на общий вес ракеты, и до­ казал, что ракета, не сбрасывающая и не сжигающая сво­ их баков во время движения, вылететь за пределы зем­ ного тяготения не может.

Ему же принадлежит предложение делать ракету с крыльями и летать па ней в воздухе, как на аэроплане. В иностранных работах подобное предложение отсутствует вовсе (там вместо него фигурируют парашюты для спус­ ка на землю), а в русских работах — было высказано Ф. А. Цандером на том же заседании и затем напечата­ но К. 3. Циолковским — все же после того, как появилось в рукописи автора. Но исследование Ю. В. Кондратюка идет далее, так как он не только указывает на необходи­ мость применения крыльев, но и приводит довольно под­ робное исследование, при каких ускорениях крылья бу­ дут полезны, какие при этом будут углы наклона траек­ тории ракеты к горизонту, и дает наивыгоднейшую силу реакции ракеты при полете в воздухе; она оказывается порядка первоначального веса ракеты.

Вообще динамика взлета ракеты представляет труд­ нейшую часть вопроса, и Ю. В. Кондратюк разрешил ее с наибольшей полнотой сравнительно со всеми другими авторами.

Здесь же приведено исследование нагревания перед­ ней части ракеты о воздух с учетом как адиабатического сжатия воздуха, так и лучеиспускания поверхности раке­ ты и самого нагретого воздуха. Этим вопросом также ни­ кто не занимался.

При этом все числа даны у Ю. В. Кондратюка, хотя и довольно грубо (об этом он сам упоминает в предисло­ вии), но всегда с погрешностью в невыгодную для кон­ структора сторону.

Предлагаемая книжка будет служить настольным справочником для всех, занимающихся вопросами ракет­ ного полета».

В начале 30-х гг. Ю. В. Кондратюк, не прерывая ра­ бот по ракетной технике, занялся исследованием сверх­ мощных ветровых установок. Получив поддержку в Наркомтяжпроме и в ЦАГИ, он возглавил проектирование ветроэлектростанции в Украинском научно-исследова­ тельском институте промышленной энергетики (г. Харь­

45

ков). Проект был одобрен Академией наук СССР. Для его реализации по распоряжению Г. К. Орджоникидзе тре­ сту «Цептроэпергострой» (г. Москва) было поручено строительство в Крыму ветроэлектростанции мощностью 12 000 кВт. В 1938 г. Кондратюк был назначен началь­ ником технического отдела треста «Теплозиергострой», а затем начальником проектного отдела «Проектно-экс- периментальной конторы электрических станций». В по­ следующие годы Ю. В. Кондратюк занимался строитель­ ством мощных ветроэлектростанций, по-прежнему не пре­ кращая исследований, посвященных межпланетным со­ общениям.

В 1947 г. книга Ю. В. Кондратюка «Завоевание меж­ планетных пространств» была издана повторно. Некото­ рые выводы Ю. В. Кондратюка в определенной степени совпадали с выводами, сделанными К- Э. Циолковским. Однако в книге Ю. В. Кондратюка содержалось много нового оригинального материала. Молодому ученому принадлежит приоритет в разработке: энергетически наивыгоднейших траекторий космических полетов, во­ просов теории многоступенчатых ракет, схем промежу­ точных заправочных станций искусственных спутников планет и в первую очередь Луны, условий экономической посадки ракет на Земле с использованием торможения атмосферой, приближенных методов расчета нагревания ракеты при ее движении в атмосфере. Он рекомендовал использовать ряд сортов окислителей и, в частности, озон, а в качестве горючих — металлы, металлоиды и их водородные соединения, например — бороводороды. Предложив применять крылатые ракеты, Ю. В. Кондра­ тюк указал области их применения и провел исследова­ ния, посвященные выбору наивыгоднейших аэродинами­ ческих характеристик.

Привлекает внимание идея Ю. В. Кондратюка об ис­ пользовании солнечной энергии: солнечное тепло преоб­ разуется в электричество, а тяга создается за счет от­ брасывания элементарных частиц.

7 июля 1941 г. Ю. В. Кондратюк записался в народное ополче­ ние. Уходя на фронт, он передал своим знакомым на хранение че­ модан и портфель со своими рукописями.

Ю. В. Кондратюк был красноармейцем роты связи 2-го полка дивизии Народного ополчения Киевского района г. Москвы. Он при­ нимал участие в боях с немецко-фашистскими захватчиками и погиб на фронте в 1942 г.

Именем Кондратюка назван кратер на обратной стороне Луны.

46

Работы Ю. В. Кондратюка по ракетным двигателям

Как и К. Э. Циолковский, Ю. В. Кондратюк пришел к выводу, что ракеты должны приводиться в действие с по­ мощью ЖРД и быть многоступенчатыми. В своей книге «Завоевание межпланетных пространств» он писал, что запас энергии для сообщения скорости летательному ап­ парату может быть взят на борт в весьма различных ви­ дах, но из них только химическая энергия соединения некоторых веществ будет достаточна для осуществления полета на практике. Ориентируясь на многоступенчатую ракету, Ю. В. Кондратюк обстоятельно рассмотрел ее устройство, условия полета, обосновал выбор топлива, предложил схему устройства камеры сгорания и сопла, указал на необходимость применения турбонасосного аг­ регата.

Предложения по топливу для ЖРД

При выборе топлива Ю. В. Кондратюк в первую оче­ редь обращал внимание на его теплотворную способность. Кроме этого, он считал необходимым учитывать все мно­ гообразие свойств топлива, а также конструктивную схему ракеты и конкретную специфику условий ее при­ менения. Если ракета составная, т. е. является многосту­ пенчатой, то для обеспечения работы первых ступеней по­ требуется большее количество топлива, чем для последних.

При выборе топлива, отмечал Ю. В. Кондратюк, не­ обходимо также обращать внимание на его стоимость. По Ю. В. Кондратюку оказывалось целесообразным при­ менение наиболее дешевых топлив в первых ступенях ра­ кеты и более теплопроизводительных и дорогостоящих топлив в последующих ступенях. Для оценки «стоимости реакции» Ю. В. Кондратюк предложил формулу, кото­ рая учитывает стоимость топлива, его массу и тепловой эффект.

Ои считал наиболее эффективными окислителями жидкие воздух, кислород и озон, а в качестве горючих — нефтяные продукты, жидкий ацетилен, горючее на осно­ ве болотного газа •— метан, водород и его соединения, а также продукты, содержащие алюминий, магний, крем­ ний, бор. Последний может применяться в виде аморф­ ного порошка, который пульверизируется в камеру сжи­ гания струей водорода или болотного газа или примеши­

47

вается к нефти перед ее поступлением в камеру сгора­ ния. Ю. В. Кондратюк предлагал в качестве горючего бороводород.

Ю. В. Кондратюк рассматривал несколько групп топ­ лива: в первую очередь жидкий воздух — нефть или жид­ кий кислород — нефть, далее жидкий ацетилен, затем жидкий водород. Затем он исследовал возможности при­ менения некоторых металлоидов и металлов. Для самых различных топлив Ю. В. Кондратюк подсчитал получае­ мый тепловой эффект, скорость истечения продуктов сго­ рания из сопла и другие параметры. При этом Ю. В. Кон­ дратюк высказывал определенные сомнения в отношении целесообразности применения жидкого водорода в связи с его малой плотностью.

Рекомендации по конструкции камеры сгорания

Ю. В. Кондратюк уделял большое внимание вопросам организации горения в камерах ЖРД. Еще в 1918— 1919 гг., рассматривая горение водорода и кислорода, он писал, что горение топлива может быть организовано тремя способами — или будет поджигаться уже готовая смесь, или газы не будут смешиваться до самого момен­ та поджога, или они будут смешаны лишь отчасти, а ка­ кой из этих трех способов применять, должен показать опыт.

Для обеспечения высокой полноты сгорания топлива Ю. В. Кондратюк предполагал использовать шахматное размещение органов впрыска компонентов топлива на форсуночной головке камеры сгорания. Им был также предложен вариант — «слоистый». В этом случае органы впрыска размещаются вдоль стенок камеры поясами, че­ редуясь между собой. В своих термодинамических рас­ четах Ю. В. Кондратюк учитывал диссоциацию продук­ тов сгорания; он считал, что в камере процесс довольно близок к изотермическому, а в сопле происходит адиаба­ тическое расширение газов.

По Ю. В. Кондратюку «камера сжигания» и «извер­ гающая труба», т. е. сопло, должны изготавливаться за­ одно, причем он считал, что те поверхности, которые под­ вергаются воздействию газов, имеющих более высокую температуру, чем может выдержать огнеупорный мате­ риал, нанесенный на стенки камеры, следует изготовлять металлическими — медными или из одного из тугоплав-

48

Kux металлов (хром или ванадий), а сами стенки под­ вергать интенсивному охлаждению снаружи жидкими га­ зами, подающимися в камеру сжигания.

Рассматривая конструкцию сопла, Ю. В. Кондратюк писал, что наивыгоднейшая форма сопла представляет собой приблизительно параболоид вращения, только па­ раболы не квадратной, а более высокой степени; к вы­ ходному сечению он должен переходить в цилиндр. При этом поток истекающих из сопла продуктов сгорания бу­ дет одномерным, а не расходящимся, что обеспечит по­ лучение возможно большего значения к. п. д., а, следо­ вательно, и тяги. Ю. В. Кондратюк указывал, что обра­ ботка внутренней поверхности сопла должна быть такой, чтобы она обеспечивала минимальные потери на трение продуктов сгорания о стенки, а при профилировании со­ пла и расчете поперечных сечений необходимо исходить из условия сохранения постоянства расхода (неразрыв­ ность потока) продуктов сгорания.

Исследуя влияние внешних условий на работу ЖРД, Ю. В. Кондратюк рекомендовал, чтобы не снижать к. п. д. при работе двигателя на малых высотах, уменьшать пло­ щадь выходного сечения, т. е. на время полета в низших слоях атмосферы снабжать сопло дополнительным уст­ ройством в виде суживающегося конуса, устанавливае­ мого на выходе из сопла и сбрасываемого при работе дви­ гателя на высоте. В качестве другого варианта регули­ рования тяги с высотой он предлагал камеру сгорания снабжать двойным соплом — первым, обеспечивающим оптимальные параметры при работе в низших слоях, и вторым— высотным, вступающим в строй после сбрасы­ вания первого сопла.

Многие предложения Ю. В. Кондратюка, касающиеся конструкции камеры сгорания, получили практическую реализацию.

Разработка систем подачи

В работе «Тем, кто будет читать, чтобы строить» отме­ чалось, что ракетный двигатель с химическим источником энергии должен состоять из сосудов, баков, трубы-каме­ ры сгорания и агрегатов, перекачивающих компоненты топлива из баков в камеру ракетного двигателя. Ю.-В. Кондратюк предлагал использовать насосные си­ стемы для подачи как унитарного, так и двухкомпонент­

49