МОГУЧЕЕ СЕМЕЙСТВО 2


Наоборот, если электрон переходит с орбиты, более отдаленной от атомного ядра, на менее отдаленную, то соответствующая энергия связи снова выделяется, чаще всего в виде кванта излучения. Вот эта-то энергия связи и является химической энергией), как энергия связи искусственного спутника с Землей является энергией гравитационной. Значит, когда электроны приближаются к ядру («снижение спутника»), химическая энергия (в случае со спутником — гравитационная энергия") выделяется, в противоположном случае — затрачивается, поглощается.

Теперь легко понять, при каких химических реакциях происходит выделение химической энергии, а при каких — ее поглощение. Если расстояние электронов от атомных ядер в новых молекулах, образовавшихся после реакции, меньше, чем до нее, то избыток энергии связи электронов выделится в виде химической энергии. В противоположном случае реакция будет идти с поглощением энергии.

Следовательно, чтобы реакция приводила к выделению, освобождению химической энергии, необходимо, чтобы вновь образованные молекулы были более связаны, или, как говорят, плотнее «упакованы», более «компактны», чем исходные ).

Однако возвратимся к камере сгорания реактивного двигателя, заполненной горючей смесью. Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, еще мгновение — и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения, более плотно «упакованные». Избыток энергии связи, представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы

*) Следует еще раз подчеркнуть приближенный, условный характер нашей аналогии. Природа химической связи неизмеримо сложнее, чем природа гравитационной связи спутника с Землей.

) Как указывалось выше, это только грубая качественная модель явления. Определение величины химической энергии требует учета кинетической энергии электронов, их волновых свойств и т. п.

почти мгновенно передали ее другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов его сгорания.

Подобный переход осуществляется и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскаленных продуктов сгорания.

После того как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себе большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать механическую работу, что-то «двигать», приводить в действие, все равно, будь то динамомашина на электростанции, тепловоз, автомобиль или самолет.

Как же происходит этот переход тепловой энергии в механическую? Вот с ним-то и связана принципиальная особенность реактивных двигателей.

Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объем должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя, тепловая энергия.

В случае поршневого двигателя расширяющиеся газы давят на поршень, движущийся внутри цилиндра, поршень толкает шатун, а тот уже вращает коленчатый вал двигателя. Вал связывается с ротором динамомашины, ведущими осями тепловоза или автомобиля или же воздушным винтом самолета — двигатель совершает полезную работу. В паровой или газовой турбине газы, расширяясь, заставляют вращаться связанное с валом турбинное колесо — здесь отпадает нужда в передаточном кривошипно-шатунном механизме, в чем заключается одно из больших преимуществ турбины.

Расширяются газы, конечно, и в реактивном двигателе, ведь без этого они не совершают работы. Но работа расширения в этом случае не затрачивается на вращение вала, связанного с приводным механизмом, как в других тепловых двигателях. Назначение реактивного двигателя иное — создавать реактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу с большой

скоростью струя газов — продуктов сгорания: сила реакции этой струи и есть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должна быть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газов в реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию — беспорядочное, хаотическое тепловое движение молекул должно замениться организованным их течением в одном, общем для всех направлении.

Для этой цели служит одна из важнейших частей двигателя, так называемое реактивное сопло. К какому бы типу ни принадлежал тот или иной реактивный двигатель, он обязательно снабжен соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскаленные газы — продукты сгорания топлива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например, в ракетных или прямоточных. В других, турбореактивных, — газы сначала проходят через турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходуется в этом случае для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя — через него текут газы перед тем, как покинуть двигатель.

Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя. Главное заключается в той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающийся отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а затем расширяющейся (сопло Лаваля). Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через «звуковой барьер».

Так мы установили, что любой «химический» реактивный двигатель должен иметь по крайней мере две составные части (рис. 1). Одна из них — камера сгорания или, в более общем случае, химический реактор; в нем происходит освобождение химической энергии топлива и

ее преобразование в тепловую энергию газов. Другая составная часть — реактивное сопло, в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию; из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, создавая реактивную тягу.

В одних двигателях, как мы увидим ниже, имеются, по существу, только эти две основные части, в других-— также и иные важнейшие части, без которых невозможна работа двигателя. Но во всех случаях «химические» реактивные двигатели представляют собой устройства для преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию вытекающих из двигателя газов, т. е. машины для «выработки» струи газов огромной скорости.

Номера сгорания

(здесь химическая энеогия топ л ибо переходит 6 тепло дую)

Реак -

тивная

беспорядочное, хаотическое движение молекул газа

Реактивное сопло (здесь тепловая энергия продуктов сгорания переходит в кинетическую энергию реактивной струи)

Рис. 1. «Химический» реактивный двигатель — тепловая машина.

Вернемся, однако, к «генеалогическому дереву» химических реактивных двигателей, чтобы познакомиться с основными ветвями его кроны, венчающей «ствол» прямой реакции (рис. 2). Вскоре, как можно видеть по рисунку, этот ствол делится на две части, как бы расщепленный ударом молнии. Оба новых ствола одинаково украшены могучими кронами. Это деление произошло потому, что все «химические» реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того, используют они для своей работы окружающий воздух или нет.

Один из вновь образованных стволов — это класс воздушно-реактивных двигателей. Как показывает само , название, они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели — основа современной реактивной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. Воздушно-реактивные двигатели. используют атмосферный кислород для

сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет.

Мы хорошо знаем наиболее широко применяющиеся в настоящее время воздушно-реактивные двигатели. Ну,

Турбо-реактивные двигатели

бескомпрессор-ные воздушно-реактивные

двигатели

Жидкостные Ракетные к

ракетные; у 6 двигатели , двигатели f

Двигатели прямой реакции ( реактивные)

Рис. 2. Могучее семейство («химические» реактивные дви-^ гатели).

конечно же, это турбореактивные двигатели, устанавливаемые почти на всех без исключения современных реактивных самолетах. Как все тепловые двигатели, использующие атмосферный воздух, они нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Ведь если давление в камере сгорания не будет значительно превосходить атмосферное, то газы не станут вытекать из двигателя с большой скоростью — именно давление и выталкивает их наружу. Но при малой скорости истечения и тяга двигателя будет малой, а топлива двигатель будет расходовать много; такой двигатель

не найдет применения. В турбореактивном двигателе для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора — существуют двигатели с осевым и центробежным компрессором, осевые компрессоры могут иметь меньшее или большее число ступеней, быть одно- или двухкаскадными и т. д. Для приведения во вращение компрессора турбореактивный двигатель имеет газовую турбину, о которой уже упоминалось выше и которая дала название двигателю. Из-за компрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной.

Значительно проще по конструкции бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления в камере сгорания осуществляется иными способами.

В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная решетка, установленная на входе в двигатель; когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие этого давление в камере повышается и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется. В беском-прессорном двигателе другого типа, прямоточном, нет даже и этой клапанной решетки и давление в камере сгорания повышается в результате скоростного напора, т. е. торможения встречного потока воздуха, поступающего в двигатель в полете. Понятно, что такой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат уже мчится с достаточно большой скоростью; на стоянке он тяги не разовьет. Но зато при весьма большой скорости, в 4—5 раз большей скорости звука, прямоточный двигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любой другой «химический» реактивный двигатель при этих условиях. Вот почему прямоточные двигатели, применение которых еще только начинается, имеют все основания стать ведущим типом двигателя в авиации завтрашнего дня, когда будут освоены необходимые для этого скорости полета.

Можно было бы рассказать о многих других интересных типах воздушно-реактивных двигателей, однако это вряд ли имеет смысл: эти двигатели не смогут быть установлены на межпланетных кораблях, которым посвящается книга.

В безвоздушном мировом пространстве такие двигатели— только обуза кораблю.

Правда, это никак не означает, что воздушно-реактивные двигатели вовсе не могут сослужить добрую службу космонавтике. Не исключено, что на первой ступени многоступенчатой космической ракеты будет целесообразно установить именно эти двигатели, например, комбинированные, представляющие собой сочетание турбореактивного с прямоточным.

Такие «гибриды», получившие название турбопрямо-точных двигателей, уже разрабатываются. Впрочем, это только один пример из довольно большого числа «гибридных» двигателей различного типа. Вполне возможно, что использование воздушно-реактивных двигателей для взлета межпланетного корабля приведет к уменьшению его веса, т. е. окажется выгодным.

В особенности перспективным кажется применение воздушно-реактивных двигателей на космических летательных аппаратах, которые должны совершать неоднократные посадки при возвращении на Землю из космоса. К числу таких летательных аппаратов относятся так называемые воздушно-космические самолеты, а также спасаемые, повторно используемые ступени космических ракет-носителей. Пока они еще не существуют, но в будущем могут найти широкое применение.

Ниже мы узнаем и о других возможных способах использования воздушно-реактивных двигателей на службе космонавтики. Правда, это будут, как мы увидим, двигатели необычные, также пока еще не существующие. Но, само собой разумеется, основные двигатели межпланетных кораблей, предназначенные для работы в мировом пространстве, должны относиться ко второму классу реактивных двигателей, т. е. не нуждаться для своей работы в воздухе. Эти двигатели называются ракетными.

* Этот второй ствол «генеалогического дерева» химических реактивных двигателей в свою очередь делится, как можно видеть на рисунке, на две, или даже, считая небольшой дополнительный отросток, на три части. Такое деление определяется характером топлива, на котором работает двигатель. Конечно, во всех случаях топливо ракетного двигателя должно заключать в себе все необходимое

для сгорания, точнее, для того, чтобы в двигателе шла реакция с выделением химической энергии. Однако агре

гатное состояние топлива может быть различным. В соответствии с этим и различаются ракетные двигатели твердого топлива (или пороховые, как их часто называют), жидкостные ракетные двигатели и двигатели смешанного топлива (иногда их называют гибридными). Правда, эти последние еще, по существу, не вышли из стадии эксперимента, хотя могут иметь большое будущее.

Ракетные двигатели

Жидкого топливо с раздельной подачей

Жидкий

окислитель

Твердое

горючее

Смешанного

топливо

Рис. 3. Основные типы ракетных двигателей..

Двигатель твердого топлива является примером сочетания, о котором говорилось выше: он имеет одни лишь обязательные основные части любого реактивного двигателя— химический реактор и сопло (рис. 3). В реакторе, или камере сгорания, находится весь запас топлива, что естественным образом ограничивает продолжительность работы двигателя. Это — один из недостатков двигателя твердого топлива с точки зрения его использования в космонавтике. Имеет значение, правда, и то, что твердое топливо, как будет показано в следующей главе, несколько

уступает жидкому по величине удельной тяги, которую двигатель способен развить с его помощью. И все же простота порохового двигателя, его постоянная готовность к действию и некоторые другие достоинства стали в последнее время привлекать к нему все большее внимание космонавтики. Можно не сомневаться, что в будущем двигатели твердого топлива будут устанавливаться и на космических ракетах. Они уже использовались в США на ракетах, служивших для запуска искусственных спутников и других космических ракетах. Твердое ракетное топливо еще далеко не сказало своего последнего слова в ракетной технике вообще и космонавтике в частности.

Это же относится и к двигателям смешанного топлива. Подбор удачного сочетания твердого горючего и жидкого окислителя может дать большой эффект.* Однако, как уже указывалось выше, подобные двигатели являются, в основном, пока только экспериментальными.

Но, конечно, основным «химическим» двигателем космонавтики является изобретенный Циолковским жидкостный ракетный двигатель. Именно этому двигателю больше всего обязана космонавтика своими первыми славными успехами.

В абсолютном большинстве случаев топливо жидкостных ракетных двигателей состоит из двух жидкостей, хра-нящихся в раздельных баках. Обе жидкости встречаются друг с другом только в камере сгорания двигателя, где происходит химическая реакция их взаимодействия. Одна из этих жидкостей или один из компонентов топлива — окислитель, другая — горючее.

Подача обоих компонентов топлива в камеру сгорания может происходить с помощью какого-либо сжатого газа, вытесняющего жидкости из баков. Однако такая вытеснительная система подачи топлива (ее иногда называют также газобаллонной) оказывается достаточно легкой лишь для двигателей сравнительно малой тяги. Как правило, для более мощных двигателей, подобных тем, которые должны быть установлены на космических кораблях, топливо должно подаваться специальными насосами. Для привода их в действие обычно служит особая газовая турбина, работающая на горячих продуктах реакции основного или какого-либо другого ракетного топлива. Подобная турбонасосная система подачи топлива

и применяется обычно на космических ракетах, по крайней мере на их первых ступенях.

Чтобы закончить хотя бы краткое описание «генеалогического дерева» семьи «химических» реактивных двигателей, следовало бы упомянуть еще об одном или даже двух двигателях. Это тоже «гибриды», но на этот раз не внутри-, а так сказать, межвидовые, ибо они роднят между собой оба основных класса реактивных двигателей.

Один из этих «гибридных» двигателей — турборакет-ный, другой — ракетнопрямоточный. Сами эти названия показывают, как получаются такие гибриды. Турборакет -ный двигатель это, очевидно, гибрид турбореактивного и ракетного, а ракетнопрямоточный — гибрид ракетного и прямоточного двигателей.

В турборакетном двигателе есть все элементы обычного турбореактивного двигателя, но только вместо одного — два раздельных химических реактора. Одним из них служит обычная камера сгорания, другим — жидкостный ракетный двигатель. Газообразные продукты сгорания, вытекающие из этого последнего, расширяются сначала в турбине, приводящей, как обычно, во вращение компрессор, а затем вытекают наружу через реактивное сопло. Воздух, сжимаемый компрессором, поступает в обычную камеру сгорания турбореактивного двигателя, но оттуда вытекает наружу сразу через реактивное сопло, минуя турбину. Это позволяет значительно улучшить характеристики двигателя, в особенности на высоте. Может быть, именно такой двигатель будет установлен на первой ступени многоступенчатой межпланетной ракеты будущего?

А может быть, таким двигателем будет второй из упомянутых нами гибридов — ракетнопрямоточный? Этот двигатель представляет собой, по существу, жидкостный ракетный двигатель, «упрятанный» внутрь прямоточного. Оба двигателя могут работать одновременно или порознь, что значительно расширяет область возможного применения двигателя по сравнению с обеими его составляющими. В частности, такой двигатель в состоянии обеспечить и взлет летательного аппарата, что не под силу прямоточному двигателю. Зато потом, когда скорость полета становится достаточно большой, включается уже прямоточный двигатель, а ракетный, требующий значительно больше топлива, может быть выключен. При еще больших скоростях снова выгодно включить ракетный двигатель и оба

двигателя работают вместе; наконец, ракетный двигатель опять становится «солистом: при скоростях, более чем в 5—6 раз превышающих скорость звука и на очень больших высотах, более примерно 30 км, прямоточный двигатель работать обычно не может.

Не исключено, что на первой ступени космической ракеты окажется выгодным установить «гибридный» двигатель, представляющий собой сочетание обоих упомяну*-тых. Это будет уже своеобразный «двойной гибрид», так что его можно назвать ракетно-турбопрямоточным. Такой двигатель можно представить себе в виде турборакетного, заключенного внутри прямоточного. Система клапанов, управляющих потоком воздуха и газов, позволит эксплуатировать этот двигатель в качестве турбореактивного либо прямоточного, либо, наконец, ракетного, либо же в любом возможном сочетании. Это должно обеспечить выбор наи-выгоднейшего режима полета для каждого случая с соответствующей экономией топлива. Можно думать, что и такой комбинированный двигатель окажется подходящим для установки на первой ступени космической ракеты.

Космонавтика уже сумела добиться больших успехов с помощью существующих ракетных двигателей. На какие же достижения может она еще рассчитывать, используя «химические» реактивные двигатели?

Об этом пойдет речь в следующей главе.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм