Текст книги "Перелом (СИ)"

Автор книги: Сергей Суханов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 51 страниц)

Глава 8

Внутренняя баллистика двигателей представляла собой отдельную проблему. Сама по себе нитроклетчатка пороха нелетуча, поэтому сгорание пороха происходит слоями. Когда очередной слой нагревается до температур сто-сто двадцать градусов, в нем начинается деполимеризация молекулярных цепей нитроклетчатки. При дальнейшем нагреве до двухсот и выше разрушаются уже эти продукты деполимеризации, и на поверхности появляется жидко-вязкий слой, который начинает испаряться – нитроклетчатка переходит в газовую фазу, которая располагается над жидким слоем пороха. И в этой фазе реакции продолжаются – сначала окислы азота отдают одну молекулу, окисляя углерод и водород, затем, на втором этапе, азот отдает вторую молекулу, полностью восстанавливаясь до молекулярного азота. Причем эти отделения молекул кислорода и их последующее присоединение к углероду и водороду и дают энергию горения – как раз по половине на каждую молекулу.

Чтобы выяснить все эти процессы, наши ученые и лаборанты работали почти год, да и сейчас, в середине сорок третьего, все еще продолжали исследования и, судя по их словам – "там еще лет на пять, если не больше". Ну да, видел я их оборудование. Они даже закатывали в пороховые шашки термопары, чтобы отлавливать температуру на каждом из этапов горения. Ну, уж о хитрых стеклянных и платиновых многосопловых трубках для отбора газов я молчу – их делали чуть ли не сотнями. Да и весь коллектив пороховиков сейчас составлял более тысячи человек. Конечно, это не только сами испытатели, что планировали и ставили опыты, а затем анализировали их результаты, это еще и помогающие им лаборанты, и конструировавшие оснастку технологи, и изготовлявшие ее слесаря и стеклодувы. И это уже не максимальное количество в две с половиной тысячи человек, что трудилось над исследованиями и разработкой технологий летом сорок второго – основная часть технологий была разработана и внедрена в производство, поэтому многих перекинули на другие области исследований, благо методы и подходы одинаковы – что в исследовании и освоении порохов, что моторных масел и прочей химии – смешивай, нагревай, фильтруй, перегоняй да измеряй. Естественно, мы работали в тесной связке с советскими учеными, да что там говорить – на начальном этапе мы только от них и получали формулы, рецепты, методики, и уже потом их апробировали и развивали, так что уже и от нас начал идти в обратную сторону небольшой поток знаний. Надеюсь, пока небольшой – раскочегарились-то наши нехило.

Так вот. Выяснив процессы горения, мы выяснили и условия их стабильного протекания. Прежде всего, для всего процесса горения было важно поддерживать давление в нужном диапазоне. При слишком низком давлении горение затухало или было нестабильным – вторая фаза горения активно проходила только при давлениях больше двадцати атмосфер, а без этого не до конца прореагировавшие продукты просто выносились из двигателя. К тому же при пониженном давлении снижалась не только теплота сгорания, но и теплопроводность газового слоя, отчего поверхность шашки нагревалась менее интенсивно, соответственно, меньше производилось продуктов распада нитроклетчатки, что еще больше снижало интенсивность горения. Но и высокие давления были вредны – порох сгорал слишком быстро. Это в артиллерийских системах были нужны давления в сотни атмосфер, чтобы успеть придать снаряду высокую скорость, а значит успеть полностью, всем зарядом сгореть еще в канале ствола, до того, как выбросит наружу – у нас были курьезные случаи, когда мы на волне первых успехов попытались заменить в гаубичных зарядах порох единообразными фракциями – что для больших, что для малых зарядов. Да, когда стрельба идет на больших зарядах, трубчатый порох вполне подходит – его соломки быстро создают очень высокое давление, при котором сгорание еще больше ускоряется. Ну и для чего, спрашивается, в малых зарядах нужен пластинчатый порох? Заменим его трубчатым, и это сэкономит нам несколько производственных линий. Нифига. Когда из ствола вслед за снарядом вылетели и догоравшие трубки пороха, мы первые три секунды смотрели друг на друга с немым удивлением. Ну, пока кто-то не крикнул "Ложись!" – снаряд, получивший совсем небольшую скорость, плюхнулся метрах в пятидесяти и на наше счастье не взорвался. Тут-то до всех сразу и дошло, зачем в малых зарядах применяли порох мелких фракций. Пустого объема-то в гильзе на таких зарядах много, и чтобы порох сразу создал большое давление, нужна большая поверхность сгорания. И трубки тут никак не подходят – пока они начнут гореть, пока создадут давление, а снаряд уже начнет двигаться, увеличивая объем камеры сгорания – вот трубкам и не хватило давления, чтобы гореть быстро. Это еще хорошо, что они все-таки смогли врезать снаряд в нарезы, протолкнуть его через ствол и выпихнуть наружу – а то тот так бы и остался внутри. Век живи – век учись.

Но это в снарядах. В ракетах же было важно, чтобы порох горел подольше, малыми порциями, чтобы он подольше подталкивал ракету по направлению к цели. Да и ограничения по массе были не последним фактором – ведь шашки свободно лежали внутри корпуса, соответственно, все давление газов передавалось и на корпус. Ну, не совсем свободно – они удерживались несколькими решетками и системой проволок, чтобы не болтались внутри корпуса, пока горят, а то от ударов могли и растрескаться, отчего площадь горения, а, следовательно, и давление, повышались, отчего, в свою очередь, еще больше повышалась скорость горения. Но из-за того, что стенки корпуса свободно омывались горячими газами, их толщина в том же РС-132 была пять миллиметров. И эти пять миллиметров должны были выдержать не только высокое давление, но и температуру, которая снижала предел прочности стали. Правда, недолго – двигатель работал меньше секунды, поэтому сталь слишком ослабнуть не успевала из-за инерции прогрева. Нам же, чтобы достичь больших высот и при этом не нарваться на большие ускорения, надо было повышать длительность работы двигателя. Но это требовало изменения всей внутренней баллистики двигателя, включая сопло.

Поэтому в первой половине сорок второго мы шли по пути изменения механической конструкции ракет, стараясь кардинально не менять ни состав топлива, ни геометрию шашек. Так, еще весной сорок второго мы начали покрывать изнутри стенки теплозащитой на основе оксида магния, что позволило снизить их толщину на два миллиметра – а это почти восемь килограммов сэкономленного веса. Да еще количество взрывчатки снизили до полукилограмма, и толстый корпус снаряда заменили стеклопластиковым обтекателем, а в качестве поражающих элементов применили стальные шарики. Правда, сэкономленный на боевой части вес был съеден аппаратурой управления, но вот уменьшение веса корпуса ракетного двигателя, использование стеклопластиковых стабилизаторов вместо стальных, повысило высотность ракет с изначальных трех до четырех с половиной.

Но это было все, что мы смогли выжать из советских снарядов без изменения конструкции и рецептуры пороха. И с рецептурой пороха было сложнее.

Попытка полностью заменить динитротолуол на нитроглицерин летом сорок второго нам не удалась – горение оказалось нестабильным, возникал и пульсации и затухания. Так-то идея была отличной – калорийность нитроглицерина на сорок процентов выше, чем у ДНТ, а кислородный баланс – вообще положительный, то есть получаем более полное сгорание пороха, соответственно, повысится и температура газов, и их объем, а значит и тяга. Да и для стабильного горения такому пороху требовалось всего двадцать атмосфер, а не минимум сорок, как нашему и советскому. Англичане с американцами такой порох и применяли – в артиллерии уже и сейчас, а потом мы узнали и про ракеты. И, кстати, они тоже столкнулись с таким нестабильным горением. Попробовали мы и немецкий – дигликолевый – порох. Причем нескольких сортов, с калорийностью начиная чуть ли не от двух с половиной тысяч килоджоулей на килограмм, или примерно шестьсот килокалорий – это сравнить с нашим в три шестьсот килоджоулей, или восемьсот шестьдесят килокалорий. С ним было еще хуже – и ниже импульс, и минимальное давление требовалось чуть ли не шестьдесят атмосфер, а лучше – восемьдесят. А это снова – утолщение стенок корпуса – наши три миллиметра такое давление держали уже не всегда. Хотя, конечно же, на таком менее калорийном порохе живучесть артиллерийских стволов возрастала чуть ли не в три раза – мы это прочувствовали, когда перевели часть трофейной ПТО на наши пороха – стволы стали выгорать значительно быстрее, и лишь напыление металлов как-то замедляло износ стволов. В своих зенитных ракетах, кстати, немцы использовали все-таки нитроглицериновый – со своим у них тоже не получилось. Точнее, со своим они пробовали делать уже после того, как Гитлер сказал своим конструкторам "Сделайте точно как у русских".

Но это мы узнали уже в сорок третьем. Пока же мы проводили десятки опытов в день, пытаясь преодолеть рубеж в пять километров.

Но все-таки очередной шаг мы сделали снова благодаря советским разработкам – в июне сорок второго мы получили чертежи нового снаряда М-13 от Катюш – руководство СССР наконец-то сочло возможным передать нам эту "секретную" разработку, о которой знали даже немцы. В основе нашей первой конструкции лежал РС-132, который мы нашли на складах. Длиной 845 миллиметров, весом двадцать три килограмма, менее чем с килограммом взрывчатки и менее четырех килограммов ракетного топлива, он развивал скорость в триста пятьдесят метров в секунду. М-13 был более продвинутой конструкцией, которую приняли как раз двадцать первого июня сорок первого – да, накануне войны – специально для наземной реактивной артиллерии. Именно эти снаряды дебютировали в знаменитом обстреле железнодорожного узла Орши четырнадцатого июля сорок первого. И новый снаряд был посолиднее своего авиационного родителя – длиннее на шестьдесят сантиметров – 1415 мм, общим весом сорок два килограмма, с массой боевой части двадцать один килограмм, из которых почти пять килограмм приходилось на взрывчатку, и с массой ракетного пороха уже в семь килограмм. Дальность стрельбы по наземным целям составляла более восьми километров, а максимальная скорость оставалась той же при длительности работы двигателя семь десятых секунды.

Вот это была уже серьезная конструкция, в которой много чего можно было убрать. Естественно, первой "пострадала" боевая часть. Ее вес мы уменьшили до четырех килограммов – килограмм взрывчатки, два с половиной килограмма поражающих элементов, ну и корпус со взрывателем. Также сделали тоньше корпус, на чем сэкономили еще пять килограммов. Увеличили и длину двигателя, повысив количество пороха до десяти килограммов. А между двигателем и боевой частью разместили новый блок управления.

Я, как ЭВМщик, даже не сомневался в том, что нам надо применять полностью электрическое управление ракетами. На наших первых ракетах так и было – оперение получило элероны, которые отклонялись электромагнитами. Блок управления, правда, был также размещен между боевой частью и ракетным двигателем, иначе его пришлось бы защищать от тепла, выделявшегося этим двигателем. Да и некуда было его в хвосте помещать – там сопло, стабилизаторы – и все. Так что либо размещать между стабилизаторами, херя всю аэродинамику, либо наращивать длину хвостовой части, а газы пропускать по длинной трубе, ну и опять же – херя всю аэродинамику. И так-то после наших доработок центр масс несколько сместился назад, так что устойчивость ракеты снизилась, а тут она снизилась бы просто катастрофично – блок управления весил пять килограммов, и даже без учета выгорания топлива центр масс сразу был бы за центром давления, и оператору бы пришлось постоянно вертеть рукояткой управления только чтобы удержать ракету на курсе. Так что от блока управления к электромагнитам тянулись провода, закрытые изоляцией – и электрической, и тепловой.

И в новых ракетах я тоже предполагал примерно такую же схему. Но тут ко мне пришли конструктора и стали убеждать меня, что надо переходить на другие схемы. Что более всего меня поразило, так это их полное единодушие в данном вопросе. Обычно они приходили к консенсусу после долгих обсуждений и споров, когда доски были не по одному разу исписаны формулами и исчерчены эскизами и схемами, а то приходилось ставить и натурные эксперименты. Тут же – "Хотим гидравлику" – и все тут. Почти ультиматум.

Стали разбираться. И оказалось, что да, гидравлика – не такой уж страшный зверь, как я себе его представлял, а даже совсем наоборот – очень полезная штука. Все дело в потребных усилиях на рулях и в массовой отдаче приводов разных схем – в гидравлических или пневматических она была чуть ли не в десять раз выше, чем в электрических системах. То есть в гидравлике один килограмм оборудования мог дать в десять раз больше мощности. Все дело в том, что в электрических системах крутящий момент ограничен магнитными силами, действующими между ротором и статором. То есть если мы хотим получить более-менее приличные управляющие усилия, нам потребуется более мощных электромотор, который, замечу, практически целиком состоит из медной обмотки, пластин статора и пластин ротора. Стальных. То есть тяжелых. А в той же гидравлике – сравнительно легкие трубочки, пусть и медные или стальные, золотниковые механизмы – да, чуть потяжелее, но не сравнить с массивными электромоторами, еще электромагниты – для управления этими золотниками, но они, опять же, существенно легче, так как им требуется мощность только для управления, а не для непосредственного привода рулями. Ну и сравнительно легкая жидкость. Которую можно сжимать до двух-трех десятков атмосфер. Проблема лишь в уплотнениях да насосе, но и тут конструктора уверили, что можно поджечь пороховой заряд в небольшой емкости – так и получим нужное для работы гидро– или пневмосистем давление. Ну, понятное дело, если тянуть трубки через весь корпус, то тут уже можно было бы и поспорить, но конструктора продумали и этот момент – когда они развернули очередной эскиз, уже с общей компоновкой ракеты, я сразу выдал – "Утка!". Да, на эскизе была ракета со схемой управления "утка" – за боевой частью шел блок управления, из которого торчали лопасти управления, а в хвосте – лопасти стабилизации, которые уже не занимались управлением. И вся гидросистема хорошо так и компактно размещалась между этими лопастями управления, а к хвостовым стабилизаторам не тянулось вообще ничего. Да, пожалуй, могло и сработать – расчеты показывали экономию почти в три килограмма – скорости-то подросли, соответственно, усилия на рулях тоже становились больше – вот и получалось, что электромагнитами уже не обойтись, да и муторно было с ними управляться – нужно было что-то более стабильное, что не тратило бы энергию на поддержание управляющих плоскостей в каком-то положении – так-то энергия тратилась на постоянную подпитку электромагнита, а тут – довернул передачу, ну или шток – и он зафиксировался в этом положении. Сам. Правда, менять его положение требовалось практически постоянно, но по тем же расчетам получалось, что на сдвиги гидравлических приводов будет все-равно тратиться чуть ли не в десять раз меньше электроэнергии, чем на электромагниты. Так что их по любому надо было заменять, и вопрос был только в том, на что именно – на электромоторы с передачами или на гидравлику-пневматику.

– Вот кстати и на весе механических передач можно сэкономить – приводы там, редукторы… А уж моторы – чтобы сделать их меньше, надо повышать напряжение, а там возникают проблемы со щетками, да и батарей надо больше, так что…

– Ну все, все, уговорили! А на чем остановились-то?

– Да пока склоняемся к гидравлике – там и угловые скорости в десять раз выше, и несжимаемость, а, значит, и точность позиционирования…

Судя по тому, как большинство за редким исключением закивало головами, народ уже решил в пользу гидравлики.

– Только привлеките разработчиков строительной техники – они этой гидравликой уже больше полугода занимаются.

– Да мы уже…

– Ну отлично. Так и решим.

Ага, горизонтальные связи в виде межотраслевых комитетов и рассылки бюллетеней работали. Ну и отлично.

И, надо сказать, новые силовые приводы ракеты показали себя просто замечательно. Собственно, ракета управляется двумя источниками управляющих сигналов, работающими одновременно. Первый источник – оператор, который направляет ракету на цель. До того, как мы перешли на радиолокационное наведение, оператор наводил ракету с помощью телескопов разной кратности – обзорного, с увеличением в десять крат, и прицельного, с увеличением в двадцать. Обзорный позволял находить цель при первоначальном поиске и при наведении, если она выскочит из прицельного. Ну а прицельный позволял наводить более точно и более точно подавать команду на взрыватель. Сначала наведение телескопов и управление ракетой было не связано между собой – оператор следил за целью, поворачивая телескоп одной рукой, а другой – поворачивал рукоятку управления, сигналы с которой передавались на ракету. Схема была явно сложновата, поэтому уже в августе сорок второго в войска пошли системы наведения, в которых ракета управлялась непосредственно поворотами телескопа. Ну, для случаев, когда происходило какое-то рассогласование, например, когда сильный толчок нарушит ориентацию гироскопов, было оставлено и ручное управление, которым оператор мог довернуть ракету на свой маршрут и продолжить управлять ею через телескоп. Правда, при полетном времени в несколько секунд такое удавалось не каждому. И, отслеживая таким образом полет ракеты, оператор направлял ее фактически наперерез, чем снижал перегрузки при маневрировании – наши гироскопы еще не были настолько хорошими, чтобы уравновешивать большие перегрузки – точность изготовления была недостаточной, поэтому мы раскручивали их недостаточно, чтобы они не сместились при слишком резких толчках и поворотах.

Но чрезмерные перегрузки все-равно случались. И именно из-за второго канала управления – собственно стабилизации ракеты. Она ведь летела в воздухе, в котором есть возмущения, вихри, восходящие потоки, то есть она летела в неоднородной среде, которая старалась сбить ракету с пути, заданном оператором. Так помимо неоднородностей среды были и неоднородности изготовления самой ракеты – микрометровые различия в конусности сопла или окружности критического сечения, в процессе горения пороха, в минимальной неодинаковости стабилизаторов – все это также старалось развернуть ракету вокруг оси или повернуть в сторону. И, наталкиваясь собственными неровностями на неровности среды, ракета могла отклоняться очень существенно. Но особенно опасным был именно поворот вокруг оси – ведь управление рассчитано на определенное положение рулей в пространстве, и если ракета повернется, то управляющее воздействие, предполагающее поворот, например, вправо, будет на самом деле поворотом вправо и вверх – управлять таким реактивным снарядом станет очень трудно, а то и невозможно.

И если для старых скоростей хватало и управления на электромагнитах, то на новых ракетах скорости были уже чуть ли не в два раза выше – почти шестьсот метров в секунду. Соответственно, возрастали и нагрузки на рулевое управление. Поэтому новые гидравлические приводы и пришлись как нельзя кстати – их мощности хватало, чтобы преодолевать сопротивление воздуха и поворачивать лопасти на нужный угол, а их компактность и вес не перегружали ракету. Причем, если в старых ракетах с оптическим наведением еще как-то можно было обойтись и электрическими схемами, то в новых ракетах с радиолокационным наведением без гидравлики было уже никак. И все потому, что в новых ракетах мы ухудшили саму динамику полета. Старые ракеты направлялись оператором, поэтому он сам мог предсказать положение цели через некоторое время и, соответственно, он мог направить ракету в ту точку. Получалось, что ракета летела почти по прямой в точку предполагаемой встречи с целью, лишь изредка доворачивая по командам оператора, ну и постоянно борясь со своими неоднородностями и неоднородностями воздушной среды. В новых же ракетах, с радиолокационным наведением, ракета летела точно на цель. В каждый момент времени. А цель ведь сдвигается. Соответственно, и ракета постоянно доворачивает вслед за целью. Так мало того, что цель сдвигается, радиолокационный сигнал тоже непостоянен, он показывает положение цели плюс-минус какой-то градус, причем, из-за неоднородности приходящих сигналов, этот сигнал может чуть ли не скакать на несколько градусов. Мы, конечно, сразу же сделали фильтры, которые выдавали средний угол между несколькими замерами, поэтому такое скакание сглаживалось. Но все-равно ракете приходилось маневрировать не только из-за неоднородностей, но еще и из-за движения цели и "движения" сигнала. И особенно – на конечном участке, где до цели оставалось уже совсем ничего, соответственно, в каждый момент времени она сдвигалась на все больший угол и ракете приходилось все сильнее маневрировать. То есть перегрузки возрастали многократно. Все потому, что мы пока не разработали схему автоматического предсказания положения цели. Правда, осенью сорок третьего ожидалась рабочая схема ручного предсказания, когда оператор мог направлять ракету не на цель, а в точку пространства перед целью – почти как в старых ракетах с визуальным наведением, но на новой технологической базе. Но в августе сорок третьего такой аппаратуры еще не было. Так что без гидравлики было уже совсем никак.

Правда, пришлось очень много поработать над самой схемой управления. Ведь сам поворот не происходит одномоментно – раз! – и повернули. Нет, это целый переходный процесс. Ведь на момент поворота лопасти ракета летит еще в старом направлении, соответственно, чтобы повернуть, необходимо преодолеть инерцию этого движения и направить ее на новый путь. А тут еще и упругость воздуха, который сначала препятствует движению ракеты, а потом, когда ракета поменяла свое положение, это сопротивление постепенно исчезает, но при этом еще продолжает действовать инерция, да к тому же, часть корпуса и рулей находится в завихрении, в так называемой тени. А при достаточно резких поворотах начинает играть роль и инерция отдельных частей ракеты. В общем, нюансов было просто море. И все их пришлось исследовать. Так, только за второе полугодие сорок второго мы выполнили более трех тысяч продувок, снимая показания с датчиков. И еще порядка шестисот пробных запусков, чтобы выявить то, что не учли или не проявилось при продувках – для этих целей мы сделали специальные исследовательские ракеты, в которых вместо боевой части были установлены парашютная система и дополнительная передающая аппаратура, которая считывала и передавала данные со множества датчиков, установленных на ракете – давление на рулях, сопротивление рулям, давление на корпусе в нескольких точках, угловые ускорения. И на основе этой информации мы потом разбирали полет – почему пошла штопором, или почему воткнулась в землю сразу после старта, или почему вдруг завиляла после вроде бы небольшого поворота. Мы составляли математическую модель полета, чтобы затем переложить ее в коэффициенты усиления каскадов схемы управления.