Текст книги "Машина-двигатель
От водяного колеса до атомного двигателя"

Автор книги: Марк Левин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 16 страниц)

Глава VI. Двигатели для больших скоростей

Огненные стрелы

Кто из вас не любовался праздничным салютом, когда стремительные разноцветные ракеты взлетают в вечернее небо и прочерчивают на нем затейливые узоры? Откуда появляется эта сила, которая так далеко ввысь уносит ракету?

Быть может, некоторые из вас думают, что ракета представляет собой своеобразный снарядик, который выбрасывается из пушки-ракетницы силой порохового взрыва и в полете загорается?

Нет, дело обстоит иначе.

Разноцветные ракеты взлетают в вечернее небо.

Ракета – это снаряд, но сила для его полета возникает в нем же самом, внутри, пока сгорает содержащееся в патроне вещество. Значит, достаточно такой снарядик поджечь, как без всякого толчка он улетит в пространство, – надо его только направить. Вы, конечно, знаете, что ракетами-снарядами в Великой Отечественной войне стреляли наши знаменитые «Катюши» и наносили огромный урон врагу.

Конечно, в боевом ракетном снаряде толкающая сила развивается куда большая, чем в увеселительной, праздничной ракете.

Когда появилась первая ракета, трудно сказать, вероятно, вместе с появлением пороха. В древнем Китае ракеты привязывали к стрелам луков, и «огненные стрелы» летели далеко в стан врага, пугая его своими огненными хвостами и шумом, поджигая постройки. Мы не будем углубляться в историю ракеты, – об этом написано много специальных книг. Нас интересует сила, дающая движение ракете, потому что именно эта сила и оказалась использованной в реактивных двигателях.

На странице 143 изображена схема ракеты, внутри которой происходит сгорание какого-либо горючего вещества, например пороха.

Схема ракеты.

При сгорании выделяется много тепла, отчего газы внутри ракеты нагреваются и давят на стенки. Но каждой силе. давления на боковую стенку соответствует такая же сила, действующая на противоположную, и обе силы уравновешиваются. Для силы же, которая давит изнутри на верхнюю стенку ракеты, уравновешивающей силы нет, потому что корпус ракеты не имеет дна и через нижнее отверстие газы просто вылетают наружу. Вот и выходит, что верхняя сила должна толкать ракету. Иными словами, струя газа, вылетая из ракеты и как бы отталкиваясь от нее, в свою очередь толкает и саму ракету.

Теперь вспомним, что и в «сегнеровом колесе» движение получалось точно так же: вытекали струйки воды, и колесо вращалось в обратном направлении.

Мы тогда назвали этот принцип движения «реактивным». Потом мы узнали, что на реактивном принципе работают некоторые турбины. Теперь оказывается, что сила реакции вытекающей струи горячего газа – та самая неуравновешенная сила давления – толкает и ракету. Следовательно, если эту силу заставить выполнять полезную работу, то мы получим новый двигатель, который и будет называться реактивным.

Дальше мы подробнее поговорим о таком двигателе, теперь же нам следует обратить внимание на то обстоятельство, что реактивный двигатель является тоже тепловым двигателем и даже двигателем внутреннего сгорания. Как и для всех тепловых двигателей, для него очень важно, чтобы температура и давление сгорания были как можно выше, а температура отходящих газов и давление той среды, куда выбрасывается струя газа, – как можно ниже. Кроме того, обратим также внимание и на то обстоятельство, что в таком двигателе нет ни вращающихся, ни движущихся поступательно частей, то есть нет трения, и, значит, полезная работа не расходуется на «механические нужды» самого двигателя. Затем, поскольку здесь тепло, выделяющееся при сгорании топлива, не тратится на подходе к самому двигателю, как в паровых машинах и турбинах, то и тепловые потери оказываются значительно меньше. Иными словами, в реактивном двигателе коэффициент полезного действия может быть выше, чем в других тепловых двигателях.

Вот почему современная техника обратилась к этому типу двигателей, используя его для летательных аппаратов.

Но не будем забегать вперед и проследим, как появился такой двигатель.

Первый проект

Наша страна – родина реактивных двигателей.

Ракеты известны были давно и всюду. Но об использовании реактивной силы для движения летательного аппарата впервые заговорили всерьез русские изобретатели.

Более ста лет тому назад, в 1849 году, штабс-капитан Третесский, служивший полевым инженером в Кавказской армии, подал наместнику Кавказа рапорт с приложением описания и чертежей управляемого аэростата, движущегося от силы реакции вылетающих газов.

Газы же, которые должны с большой скоростью истекать из кормовой части дирижабля, изобретатель предполагал запасать в баллонах, предварительно эти газы сжимая в компрессоре.

Такой двигатель не мог быть, конечно, выгодным, или, как говорят, экономичным. Ведь для того, чтобы зарядить баллоны газом, надо было иметь еще какой-либо двигатель, приводящий в движение газовый компрессор.

При этом энергия, которую содержат в себе сжатые газы, оказывается меньше энергии, затраченной первичным двигателем, – ведь сколько было потерь в компрессоре, сколько потерь было при нагнетании в баллоны! А если к этому добавить, что и сам первичный двигатель (им могла быть в то время, например, паровая машина) имел низкий коэффициент полезного действия, то понятно, что вряд ли можно было ожидать успеха от такого использования энергии в будущем.

Но вспомним, что тогда самолет еще не был изобретен и инженеры думали не столько о том, чем приводить в движение летательный аппарат, сколько о том, как его заставить двигаться и как управлять его движением. И в этом смысле предложение Третесского об использовании реактивного принципа для движения управляемого аэростата было совершенно новым, оригинальным и заслуживало всяческого внимания.

Однако, в чем нам уже не раз приходилось с огорчением убедиться, царские чиновники были равнодушны к развитию отечественной техники. И проект Третесского, подобно многим другим проектам, погиб в дебрях канцелярий, не получив применения.

Проект, рожденный в тюремных застенках

Первым, кто подал идею теплового реактивного двигателя, идею самолета-ракеты, был знаменитый русский революционер – народоволец Николай Иванович Кибальчич.

Бывший студент Петербургского института инженеров путей сообщения, Кибальчич, отбывший два года тюрьмы за пропаганду революционных идей среди крестьян, в 1877 году возвращается снова в Петербург. Но жестокий царь Александр II, преследовавший передовых людей того времени, запретил поселяться в Петербурге тем, кто в какой-то мере был замешан в революционном движении. И молодому студенту-революционеру, страстно желавшему посвятить свою жизнь борьбе за лучшую долю народную и столь же страстно любившему науку, которой он хотел овладеть, пришлось отказаться от продолжения учебы в институте. Но он нашел другой путь, где его технические знания, его любовь к научным исследованиям могли сочетаться с активной революционной борьбой, служить ей. Кибальчич ушел в подполье, став пиротехником нелегальной революционной партии.

В тайном месте, о котором знали лишь самые надежные товарищи, Кибальчич создал свою лабораторию. Здесь он изобретал новые составы взрывчатых веществ, разрабатывал конструкции бомб и метательных снарядов. Народовольцы готовили террористический акт – покушение на царя.

Народовольцы еще не были марксистами, – они не понимали, что отдельными террористическими актами нельзя решить задач социалистической революции. Они потом только мешали марксистам вести правильную революционную работу, и Ленин боролся с народниками. Но до появления настоящей революционной марксистской партии к народникам примкнуло много отважных и преданных революции людей – среди них Желябов, Перовская, Кибальчич и другие. Искренне думая, что убийством царя им удастся приблизить революцию, они готовы были отдать свои жизни за будущее счастье народа.

И вот 1 марта 1881 года одной из четырех приготовленных Кибальчичем бомб был убит царь Александр II.

Взрыв бомбы не вызвал революции, но зато начались повальные аресты, и 17 марта – через две недели после покушения – был арестован Кибальчич.

Незадолго до ареста Кибальчич проводил серию опытов со спрессованным в плотные столбики порохом и заметил весьма любопытное свойство таких столбиков: если их поджечь, то они не сгорают мгновенным взрывом, как порошковый порох, а начинают гореть медленно, сгорая постепенно, слой за слоем. Это натолкнуло молодого ученого на мысль об использовании свойства спрессованного пороха в специальной ракете, которая бы двигала летательный аппарат.

Дальше следовало эту мысль развить, провести расчеты, сделать чертежи… Ведь такой двигатель был так нужен человечеству, он так значительно мог бы продвинуть вперед технику воздухоплавания!

Арест оборвал научные работы, спутал планы..

Но, попав в застенки Петропавловской крепости и зная о том, что его ожидает смертная казнь, отважный революционер не пал духом, не потерял способности мыслить и даже творить. И вот на белой оштукатуренной стене камеры появились первые линии чертежа.

«На оштукатуренной стене камеры появились первые линии чертежа…».

Кибальчич, как бы отрешившись от тяжелого сегодня, устремлялся мыслью в светлое завтра, – он твердо решил оставить человечеству свою идею. И это решение, и эта вера в то, что люди смогут осуществить и использовать его изобретение в далеком будущем, поддерживали его.

Начав излагать свой проект на стене, Кибальчич вскоре добился получения бумаги. Тюремщики, пораженные деятельной энергией смертника, выполнили его просьбу. И 23 марта – через 6 дней после ареста – Кибальчич передал написанный проект в жандармское управление.

Проект начинался словами:

«Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти, я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении».

Дальше излагалась суть предложения. Описав принцип ракеты, Кибальчич предлагает, для осуществления длительного полета такой ракеты, использовать патроны из спрессованного пороха. Значит, если на летательный аппарат установить двигатель – ракету – и непрерывно ставить в нее и поджигать столбики спрессованного пороха, то такой аппарат будет летать долго. Чтобы менять скорость полета, Кибальчич предложил иметь в запасе набор патронов – потолще и потоньше. Чем больше диаметр патрона, тем больше будет сгорать пороха в единицу времени, тем выше будет температура в ракете, выше будет давление газов, выше будет и скорость вылета газовой струи, а следовательно, и скорость полета самой ракеты.

Так выглядела бы ракета Кибальчича, если бы ее построили…

Кибальчич предложил много разных устройств, одни из которых автоматически устанавливали бы новые патроны, а другими можно было бы управлять направлением полета.

Но ракетоплан не был построен… Кибальчичу сказали, что его проект передан на рассмотрение комиссии ученых, а на самом деле он был положен в архив с резолюцией: «ученым не передавать во избежание неприятных толков».

За два дня до казни Кибальчич просил свидания с кем-либо из ученых.

Он писал, что если ученые признают осуществимость идеи, то «я спокойно тогда встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мной, а будет существовать среди человечества, для которого я готов был пожертвовать своей жизнью».

Но свидание не состоялось. 3 апреля 1881 года Кибальчича казнили.

Долгое время никто не знал точного содержания проекта, и лишь в 1918 году, после Великой Октябрьской социалистической революции, проект был разыскан в архивах полиции и затем опубликован.

Однако еще на суде и в разговорах с друзьями Кибальчич успел устно передать свои мысли, которые впоследствии заставляли задумываться многих ученых и изобретателей.

И среди тех, кто дальше продвинул идею реактивного двигателя, следует прежде всего назвать еще одного русского изобретателя и ученого – Константина Эдуардовича Циолковского.

Учитель из Калуги

Долгая и плодотворная жизнь Константина Эдуардовича Циолковского – яркий пример героического служения науке.

…В семье лесничего Циолковского стряслась беда: младший сын Костя тяжело заболел скарлатиной. В рязанской глуши в те далекие годы нельзя было рассчитывать на хорошую медицинскую помощь, – лечили как могли. И болезнь не прошла бесследно. Костя поправился, но резко ухудшился слух.

Недоступными сделались детские игры, школа… Читать и писать Костю обучали дома; пока жива была мать, учился он регулярно. Но вот новое несчастье потрясло семью: спустя два года, умирает мать. Еще тяжелее стало жить покинутому, почти глухому мальчику. На дворе бегали и резвились ребята – среди них и старшие братья Кости, – о чем-то весело болтали, смеялись… У них были какие-то свои интересы, своя счастливая жизнь.

В их мире Костя чувствовал себя чужим. Зато у Кости стал появляться свой интересный мир. Удобно примостившись на подоконнике, обложившись картоном и бумагой, Костя с увлечением склеивал разные игрушки. Ему доставляло радость сознание, что склеенные им часы с гирями очень похожи на настоящие, что его кукольные домики очень нравятся соседским девочкам, которые из-за этих домиков готовы поиграть и с ним.

Но годы шли. С большим трудом, прочитывая учебники и книги своих братьев, он начал постигать различные школьные знания. Только в 14 лет Константин впервые взялся за учебник арифметики. Всё оказалось понятным. И страница за страницей, книга за книгой приносили ему всё новые и новые радости, – он стал уже многое понимать, а жажда к знаниям всё росла и росла. Вместе с тем и совершенствовалась изобретательность: уже не игрушки, а токарный станок по дереву сооружает пятнадцатилетний Костя. Уже не кукольные домики, а автомобиль с паровой тягой, аэростат и летательные аппараты с крыльями занимают его…

Старик отец, видя незаурядные способности сына, решается отпустить его в Москву – продолжать учебу.

И вот шестнадцатилетний парнишка с тяжелым физическим недостатком, один, без друзей и знакомых, оказывается среди шумных московских улиц. В университет поступить не удалось, и, сняв дешевый угол у бедной прачки, Константин начинает учиться самостоятельно. Строго распределив свое время, он с утра уезжает в библиотеку и лишь к вечеру ее покидает. По пути домой юноша заходит в магазин, где на свои скудные средства приобретает кое-какие материалы, препараты. Вечером он изготовляет различные приборы и сам проводит опыты по физике и химии.

Так проходит еще два года. Многое достигнуто, но хочется большего. Однако отец, опасаясь за здоровье сына, забирает его домой – в Рязань. Здесь в 1878 году, двадцати одного года от роду, Константин Циолковский сдает экзамен на звание учителя уездной школы.

Сначала его посылают учительствовать в город Боровск, под Москву. Там начинается научная работа молодого учителя. Он связывается с Петербургским физико-техническим обществом, где ряд его работ получает одобрение.

Однако наиболее интересные и важные работы молодой учитель физики развернул в Калуге, куда он был переведен в 1892 году.

Еще в 1883 году Константин Эдуардович Циолковский в одном из своих ранних сочинений, которое называлось «Свободное пространство», писал: «Положим, что дана была бочка, наполненная сильно сжатым газом. Если отвернуть один из ее кранов, то газ непрерывной струей устремится из бочки, причем упругость газа, отталкивающая его частицы в пространство, будет так же непрерывно отталкивать и бочку. Результатом этого будет непрерывное изменение движения бочки».

Так пришел к мысли об использовании реактивного принципа движения человек, который затем решил посвятить всю свою жизнь дальнейшей разработке этого принципа.

То, что говорил Циолковский о бочке, сильно напоминает идеи Третесского. О тепловом двигателе здесь еще также нет речи.

В 1896 году Циолковский прочитал небольшую брошюру инженера Федорова – «Новый способ воздухоплавания, исключающий воздух, как опорную среду». Автор описывал возможность использования ракетного принципа для полета снаряда в безвоздушном пространстве. Но в книжке не всё было ясно, она не имела большой ценности. Однако молодому учителю физики показалась заманчивой раскрывшаяся перспектива полета в межпланетное пространство с помощью ракеты. Он решил сам проверить все положения автора, всё рассчитать, доказать и, если надо, дополнить. Как потом говорил сам Циолковский, эта маловажная книга толкнула его на серьезные исследования.

В 1903 году вышла новая работа Циолковского – «Исследование мировых пространств реактивными приборами».

Здесь впервые были даны расчеты и научное обоснование межпланетного ракетоплавания. И, конечно, не бочка с газом, а ракетный тепловой двигатель должен был приводить в движение космический корабль.

Но порох, о котором говорил Кибальчич, всё же нельзя было сжигать в ракетном двигателе, если требовалось получить длительную работу такого двигателя.

Циолковский не мог рекомендовать порох как топливо, потому что порох обладал низкой теплотворной способностью, то есть один килограмм пороха при сгорании выделял мало тепла, и, следовательно, надо было бы слишком много такого топлива брать с собой в полет. Сгорание одного килограмма лучшего пороха дает только 800–900 больших калорий тепла.

Но у пороха зато есть и достоинство: при сгорании он не требует воздуха, порох сам – и горючее вещество и окислитель. А вот для другого топлива нужен воздух, или, точнее, кислород.

Циолковский предложил ракетный тепловой двигатель, который работал бы на жидком топливе – жидком водороде или бензине, керосине и так далее, а для окисления, чтобы поддерживать гонение, следовало брать с собой и кислород в жидком виде.

Ракета Циолковского похожа на каплю дождя. В носовой части корабля размещаются экипаж и приборы. Вся другая часть занята под топливохранилище. Половину этого хранилища занимает само топливо, а половину – жидкий кислород. Постепенно, порция за порцией, подаются топливо и кислород в камеру сгорания. Здесь поддерживается всё время горение, и нагретые до высокой температуры газы с огромной скоростью вылетают наружу, создавая силу реакции и заставляя ракетоплан тоже с большой скоростью нестись вперед.

Схема устройства космического корабля с реактивным тепловым двигателем, предложенная Циолковским.

Жидкий водород, по подсчетам Циолковского, соединяясь с кислородом в 1 килограмм воды, выделяет 3 825 калорий. Следовательно, такого груза (жидкий водород + жидкий кислород) можно взять примерно в пять раз меньше, чем пороха.

Циолковский не только выдвинул идею реактивного двигателя на жидком топливе, но и предложил ряд очень важных конструктивных решений: он указал на способы подачи топлива в камеру сгорания, на способы охлаждения двигателя, на способы управления двигателем и ракетой, на способы спуска ракеты.

И мысли, высказанные замечательным ученым, были настолько правильными, что даже пятьдесят лет спустя, в реактивных двигателях наших дней, многие из этих мыслей нашли практическое воплощение.

Двигатель, сам себя съедающий

Для каких целей, где может найти себе применение реактивный двигатель?

В первых же своих работах Циолковский показал, что никакой другой двигатель не сможет осуществить давнишнюю мечту человечества – перенести человека с Земли на другую планету. Еще в средние века такая мысль будоражила ум человека. Французский поэт, литератор и физик Сирано де Бержерак (1619–1655) в своих фантастических сочинениях указывал несколько, по его мнению, возможных способов путешествия на Луну. И в числе прочих он предлагал использовать силу непрерывно действующих, взрывающихся по очереди пороховых ракет.

Однако и сам Сирано де Бержерак и многие другие после него полагали, что можно отправить межпланетный корабль и другими способами.

Помните, например, как Жюль Верн отправлял своих героев на Луну? Он делал это с помощью огромной пушки, которая с невероятной силой и скоростью выбрасывала снаряд в межпланетное пространство.

Циолковский подсчитал, что если бы даже удалось построить пушку со стволом в 300 метров высоты (то есть в три раза выше Исаакиевского собора в Ленинграде) и обеспечить такое кратковременное давление газов, которое могло бы выбросить снаряд за пределы атмосферы, то оказалось бы, что, при огромной скорости вылета снаряда и огромной силе толчка, ни один прибор бы не остался цел, не говоря о человеке. Да и безопасный спуск такого снаряда на землю тоже оказался бы невозможным.

С другой стороны, как показал далее Циолковский, ракетный снаряд лишен этих недостатков. Он может сравнительно плавно подняться; его скорость может регулироваться, постепенно увеличиваясь.

В ракете могут безопасно размещаться приборы и даже люди. Возможна и обратная надежная посадка ракеты на Землю.

Кроме того, – об этом мы уже знаем – ракета может пролететь большие расстояния и развить большие скорости, а на больших скоростях ракетный тепловой двигатель окажется особенно экономичным, – до 85 % выделяемого топливом тепла сможет быть использовано на полезную работу толкания снаряда.

Вспомним, что лучшие паровые турбины используют только 35 % выделяемого топливом тепла, а лучшие двигатели внутреннего сгорания – дизели – используют только 45 %.

…Много прошло времени – половина века – с тех пор, как вышла первая работа Константина Эдуардовича Циолковского о жидкостном реактивном двигателе. Еще больше – три века прошло со времени Сирано де Бержерака. Мечта человека о межпланетном полете сейчас уже становится реальностью. И нашей родине принадлежит заслуга активного научного участия в решении этой задачи. Академия наук СССР установила в 1954 году специальную премию за лучшие работы в области межпланетных сообщений. Президент Академии наук Несмеянов на сессии Всемирного Совета Мира 27 ноября 1953 года сказал: «Наука достигла такого состояния, когда реальна посылка стратоплана на Луну…»

Наши советские инженеры, продолжая развивать идеи Циолковского, много и плодотворно работают над разрешением наиболее сложных технических вопросов, связанных с постройкой «космического корабля».

Интересуясь двигателями, мы не можем не обратить внимания на любопытное предложение ученика и помощника Циолковского – инженера Цандера.

Цандер, исследуя вопрос о возможности применения в ракетном двигателе наиболее высококалорийных топлив, предложил в качестве горючего использовать… некоторые металлы.

Оказывается, сгорая в кислороде, такие металлы, как алюминий или магний, могли бы выделять еще больше тепла, чем жидкое топливо, и ракетный двигатель оказался бы более мощным. Цандер показал, что это имеет большое значение для космического корабля, так как в таком случае можно было бы постепенно сжигать становящиеся ненужными металлические части самой ракеты.

При этом ракета делалась бы всё легче, а скорость ее всё возрастала бы.

Вот тогда-то и получился бы двигатель, который частично сам себя съедал!

Однако техника пока еще не нашла удачного решения такой задачи. Продолжаются упорные исследования, ученые и инженеры ищут наилучшие способы сжигания и управления горением таких металлических топлив.