История появления реактивного двигателя
К концу второй мировой войны широкое распространение получили новые виды вооружения и боевые машины, работающие по принципу реактивного действия.
Наряду с давно известными осветительными и сигнальными ракетами и небольшими реактивными снарядами появились усовершенствованные реактивные снаряды различного назначения, вплоть до реактивных снарядов типа ФАУ-2, поднимающихся до высоты около 100 км, несущих заряд взрывчатого вещества около 1000 кг и пролетающих с невиданными скоростями сотни километров. Созданы и самолеты с реактивными двигателями, развивающие скорости, значительно большие, чем самолеты с обычной винтомоторной установкой. Появились и самолеты-снаряды, направляемые без летчика на цели, удаленные за сотни километров.
Для всех этих видов боевой техники тягу создают реактивные двигатели.
Первые сорок лет своего бурного прогресса авиация развивалась на основе использования винтомоторной группы с поршневым двигателем внутреннего сгорания и только в самые последние годы на самолете появился реактивный двигатель. Между тем реактивный двигатель несравненно старше поршневого двигателя внутреннего сгорания. Ведь бензиновый мотор лишь немногим старше самолета — он появился во второй половине XIX века, а паровой поршневой двигатель создан в конце XVIII века. Реактивный же двигатель, — во всяком случае принцип его действия, — известен с глубокой древности и осуществлен в виде пороховой ракеты также много столетий назад.
Древняя китайская легенда рассказывает о попытке создать летательную машину, которая взлетала бы с помощью пороховых ракет (порох был известен в Китае значительно раньше, чем его «изобрели» европейцы).
Легенда эта такова. 3a несколько столетий до нашей эры высокопоставленный китайский чиновник («мандарин») по имени Ван-Гу намеревался совершить полет с помощью пороховых ракет и воздушных змеев. Он изготовил особый аппарат, разместил под ним 47 ракет, прикрепил к сидению два больших воздушных змея и между, ними уселся сам. Сорок семь прислужников должны были одновременно поджечь все ракеты. Но по какой-то причине одна из ракет взорвалась раньше, чем нужно было, и подожгла другие ракеты, отчего машина загорелась, причем сгорел и сам изобретатель.
Эта первая, известная нам, попытка построить «самолет с реактивным двигателем» была сделана более двух тысяч лет назад.
В средние века появились пороховые ракеты и в европейских странах, причем их использовали для военного дела и для забавы. Впрочем, о ракетах в Европе стало известно еще в V веке. Так, римский поэт Клавдиан, описывая праздник в Милане в 399 г., указывает, что были выпущены ракеты. Маркус Грек применял ракеты в 843 г. Но во всех этих ракетах взрывчатый состав был плох и поэтому ракеты не получили развития.
Потребовалось много времени, чтобы на простейшей пороховой ракеты родился мощный реактивный двигатель.
Коротко попытаюсь объяснить, что такое ракета и на каком принципе основано устройство этого простейшего реактивного двигателя.
Принцип действия реактивного двигателя основан на так называемом третьем законе Ньютона.
В
Рис. 1. Схема сил, действующих на стенки закрытого сосуда. Внешние силы представляют собой атмосферное давление, внутренние—давление газов, образовавшихся в результате сгорания топлива.
I
В
Рис. 2. Схема равнодействующих сил, воздействующих на стенки закрытого сосуда. Силы попарно равны и направлены в противоположные стороны. Давление уравновешенной системы сил воспринимается стенками сосуда.
Этот закон, сформулированный Ньютоном в 1686 г., гласит: «всякому действию всегда есть равное и противоположное противодействие». Или иначе: «действие равно и прямо противоположно противодействию». Таким образом всякая действующая сила вызывает другую силу, равную ей по величине, но направленную в противоположную сторону. Закону Ньютона подчинены и силы, которые действуют в реактивном двигателе.
Если в закрытом со всех сторон сосуде поджечь какое-либо топливо, то выделяющиеся в результате его горения газы, расширяясь под действием тепла, будут равномерно давить изнутри на стенки сосуда. Снаружи стенки сосуда будут подвержены давлению атмосферного воздуха. Схема действия сил изнутри и снаружи показана на рис. 1.
Применяя законы механики можно заменить в расчетах силы, равномерно действующие на одну из поверхностей тела, однойравнодействующей силой. После такой замены схема действия сил на сосуд примет вид, показанный на рис. 2. Силы, вызванные давлением атмосферного воздуха, обозначенные на схемебуквой Р0, будут действовать на стенки сосуда снаружи, а силы давлении газов, обозначенные буквой Р, действуют на стенки сосуда внутри.
СилыР по величине взаимно попарно равны и направлены в противоположные стороны. Такая система сил будет взаимноуравновешенной системой, т.к. если, например, по горизонтальной оси Адействует сила в одном направлении, то другая такая же по величине сила действует по этой же оси в противоположном направлении.
Рис. 3. Схема сил, действующих на стенки сосуда с отверстием. Система сил не- уравновешена. Газы, вырываясь через отверстие наружу, создают реактивную силу, направленную в сторону, противоположную выходу струи газа.
Величина сил Р зависит от рода и количества сгораемого топлива и может быть очень большой. Величина сил Р0 зависит от состояния атмосферы (от погоды) и уменьшается с увеличением высоты.
Если в сосуде сделать отверстие С(рис. 3), то равновесие системы сил Рнарушится. Взаимно уравновешенными останутся только силы, действующие по вертикальной оси. В этом случае газы, находящиеся под давлением в сосуде, с большой скоростью будут выбрасываться («вытекать») через отверстие С наружу до тех пор, пока давление внутри сосуда не сравняется с атмосферным. Тогда равновесие сил, действующих по оси А, должно нарушиться. В этом случае энергия, выделившаяся при сгорании топлива, преобразуется в кинетическую энергию, т. е. в энергию движения частиц газа, вылетающих из отверстия С. При вытекании струи газов из камеры возникает сила, направленная в сторону движения струи.
На рис. 3 эта сила R'инаправлена вправо. Величина силы R' зависит от массы вытекающих газов и от скорости их истечения.
По третьему закону Ньютона при возникновении какой-либо силы должна возникнуть равная ей по величине, но противоположно направленная сила. На рис. 3 эта сила обозначена буквой R и направлена влево. Под действием этой силы сосуд станет двигаться в направлении, противоположном истечению газов. Следует иметь в виду, что сосуд придет в движение не в результате отталкивания его от окружающего воздуха струей отходящих газов, а в результате взаимодействиясосуда со струей газа: сосуд, выбрасывая струю, сам отталкивается от нее.
Поэтому движение происходит и при отсутствии воздуха, т. е. в вакууме.
Сила, которая появляется в результате истечения продуктов сгорания через отверстие в сосуде, направленная в сторону, противоположную выбросу газов, называется реактивной силой. Движение, вызываемое реактивной силой, называется реактивным движением, а устройство, при помощи которого создается реактивная сила, называетсяреактивным
двигателем.
Рис. 4. Схематический чертеж пороховой ракеты. Это—простейший реактивный двигатель, работающий на твердом топливе, одновременно являющийся и простейшим летательным аппаратом.
Таким образом реактивный двигатель, как и любой другой двигатель, превращает один вид энергии в другой. В нашем случае энергию тепла, находящуюся в топливе, он преобразует в кинетическую энергию массы продуктов сгорания, причем часть энергии он использует на работу движения.Если этому сосуду придать снаружи обтекаемую форму, для того чтобы уменьшить силу сопротивления воздуха, возникающую при его движении вперед, а к отверстию для выхода газов приделать постепенно расширяющуюся насадку для лучшего использования энергии тепла, то это и есть простейшая ракета.
Корпус ракеты в то же время служит сосудом для сжигания топлива, т. е. элементом двигателя, его камерой сгорания. В этом случае простейший летательный аппарат и простейший реактивный двигатель совмещаются в одно целое. Примером такого устройства может служить показанная на рис. 4 пороховая ракета, применявшаяся ранее и применяемая в настоящее время. Она состоит из корпуса1 обтекаемой формы, который в хвостовой части оканчивается расширяющейся насадкой 2, называемым соплом. Внутренняя полость 3 корпуса, где происходит сгорание топлива, называется камерой сгорания. Здесь топливо сгорает и продукты сгорания сильно нагреваются и поэтому потенциальная энергия газов преобразуется в кинетическую. Форма сопла подбирается такой, чтобы в процессе(выброса) истечения газов увеличивалась их скорость.
В камеру сгорания закладывают пороховой смесь и поджигают ее. Образовавшиеся при сгорании этого состава горячие газы выбрасываются с большой скоростью через сопло в окружающую среду, и реактивная сила толкает ракету в противоположную сторону.
Примеры реактивного движения встречаются и в природе: в растительном мире, мире живых микроорганизмов.
Существует растение, называемое «бешеный огурец». В момент отваливания от ветки созревшего плода семена этого растения вылетают из верхней части плода на большое расстояние, а оболочка летит в противоположном направлении.
Рис. 5. Морское животное — каракатица, представляющее собой подобие простейшего водяного реактивного двигателя.
Реакцией вытесняемой из тела воды движется и другое морское животное - с а л ь п а. Так же перемещаются и медузы.
Действие реактивной силы человек отчетливо чувствует, когда, стоя на коньках нальду, он бросает с силой груз вперед. При этом человек, несколько откатывается назад. Такой же эффект проявляется при бросании груза в горизонтальном направлении с лодки — лодка при этом несколько отталкивается в противоположном направлении. Толчок в плечо при выстреле из ружья и есть действие реактивной силы. При выстреле пуля вылетает из ствола, а ружье дает «отдачу», т. е. реактивная сила давит на плечо. Откат ствола орудия при стрельбе -это результат действия реактивной силы.
Литература
«Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона» / 1892г., С-Петербург, т.5А, Т.9А
Бриллинг Н.Р. / Двигатели внутреннего сгорания, Госиздат,1927г.
Родных А.А. /Ракеты и ракетные корабли, ОНТИ НКАП, 1934г.
Применко А.Е./Реактивные двигатели их развитие и применение, Оборонгиз, Москва,1947г.
