Земная подготовительная ракета

Назначение ракеты. Площадка для разбега.

Полотно. Мотор. Сопротивление воздуха.

Трение Мы видели, что ракета еще на Земле должна приобрести некоторую скорость, чтобы сразу лететь горизонтально или наклонно восходящим путем. Чем больше будет полученная от разбега скорость, тем лучше. Желательно, чтобы снаряд не тратил при этом своей запасной энергии в образе взрывчатых веществ. А это возможно только в том случае, если наша ракета будет приведена в движение посторонней силой: автомобилем, пароходом, локомотивом, аэропланом, дирижаблем, газовой или электромагнитной пушкой и пр. Известные существующие способы не могут дать скорости больше 100— 200 м/сек, так как ни колеса, ни воздушные винты не могут без разрыва вращаться быстрее. Скорость их по окружности можно довести до 200 м/сек — не более. Значит, эту скорость (720 км/час) не могут превзойти обычные орудия передвижения. Для начала, пожалуй, и этого много. Но мы будем стремиться сообщить ракете возможно большую предварительную скорость, чтобы она сберегла свой запас взрывчатого материала для дальнейшего полета, когда она уже оставит свой твердый путь. Отсюда видно, что для приобретения снарядом скорости, большей 200 м/сек, нужны особые приспособления. Газовые и электромагнитные пушки на первое время мы должны отвергнуть как сооружения чересчур дорогие, многомиллионные вследствие их большой длины. В коротких же относительная тяжесть (толчок! все убьет и изломает. Самый простой и дешевый в этом случае прием — ракетный, реактивный. Мы хотим сказать, что наша космическая ракета должна быть поставлена на другую — земную, или вложена в нее. Земная ракета, не отрываясь от почвы, сообщит ей желаемый разбег. Для земной ракеты нужен плоский прямолинейный, наклонно восходящий путь.

Воздушные винты невозможны и не нужны. Их тяга заменяется задним давлением взрывающихся в трубе газов. Колеса для облегчения трения негодны. Земная ракета двигается, как сани.

Трение твердых тел представляет довольно значительное сопротивление, даже если облегчается смазкой. Например, коэфициент трения для железа по сухому. чугуну или бронзе (и обратно) составляет около 0,2. Это значит, что снаряд весом в 1 т приводится в движение на горизонтальной плоскости силою, нс меньшей 0,2 т, или 200 кг. Такова величина трения для давлений, не превышающих 8—10 кё/см^г трущейся поверхности.

Замечательно, что коэфициент трения с увеличением скорости трущихся тел уменьшается раза в 4 и более (в узких пределах опыта). При обыкновенном давлении, не нарушающем указанные пределы, и при обильной смазке коэфициент трения тех же тел может уменьшиться в 5—10 раз. Смачивание трущихся поверхностей водой уменьшает тренне раза в 2. Коэфициент трения металла по льду и снегу (и обратно) доходит до 0,02, т. е. в 10 раз меньше трения сухих разнородных металлов, и сравнивается, значит, с величиною трения при обильной смазке. Итак, если ракета двигается по льду или ровному и обильно смазанному металлическому полотну, то нет неодолимых препятствий для быстрого движения без колес. Если, например, на снаряд производится давление газов, равное его весу (/—10), то на трение теряется только от 20 до 2% всей затраченной на движение земной ракеты энергии. При ускорении в.

5 м/сек² 0=5) затрата будет от 40 до 4%. Если /= 1, то затрата уже составит от 200 до 40%, что нетерпимо.

Впрочем, я знаю способы сводить трение почти к нулю, но.

06 этом поговорим в другой книге¹.

Мы приходим к мысли о земной ракете, двигающейся по обыкновенным, но гладким и строго прямолинейным рельсам, обильно смазывающимся выпирающим из полозьев машины салом, маслом или льдом. Последнее возможно только в холодное время года или на высоких горах, где температура ниже куля.

Форма земной ракеты должна быть легкообтекаема воздухом. Чем она будет продолговатей, тем легче ракета будет рассекать среду, если не считать трения воздуха о стенки земной ракеты. При ее продолговатости в 100 или 200 (т. е. когда длина во столько раз превышает наибольший поперечник снаряда), можно даже принимать в расчет одно трение. Ввиду, как увидим, очень длинного пути, необходимого для разбега снаряда, он и сам может быть очень длинен — места хватит.

Особые вычисления и соображения, когорые мы тут не приводим, показывают, что величина трения не может превышать числа

какова бы ни была скорость трущейся поверхности. Из формулы видим, что это предельное трение пропорционально трущейся площади F, плртности газа d и скорости движения его молекул V. Такой вывод позволяет сравнивать газы при огромных скоростях с твердыми телами, так как и у последних трение не очень зависит от скорости трущегося тела. Преобразованием формулы (174) нетрудно доказать, что для «постоянных» газов и неизменного внешнего давления это предельное трение пропорционально квадратному корню из молекулярного веса газа и обратно пропорционально квадратному корню из температуры газа. Значит, например, при атмосферном давлении нагретый водород дает меньше трения, чем холодный воздух. Напротив, холодный углекислый газ представляет большее сопротивление, чем нагретый воздух.

См. мою книгу «Сопротивление воздуха и скорый поезд». К., 1927.

При одной жо плотности газов вывод будет обратный, т. е. газы с малым молекулярным весом и нагретые дают больший коэфициент трения. Укажем о пределах.

По формуле (174) для обычного воздуха на 1 м^г найдем предельное трение близким к 0,011.

Другие соображения дают для величины трения формулу.

Значит, коэфициент трения пропорционален плотности газа <1, скорости снаряда и толщине s воздуха, прилипшего к I мг тела, движущегося со скоростью 1 м/сек. Но, к сожалению, эта формула верна только тогда, когда скорость снаряда имеет столько метров, сколько он сам имеет метров длины. Следовательно, в этой формуле мы должны положить 1=с. Тогда получим

Положим тут 2g=20; 6=3; d=0,0013; кроме того, мне из личных опытов известно, что s=0,0l (1 см). Тогда найдем.

Допустим еще, что вес всего снаряда в тоннах выражается числом I. Тогда составим табл. 17 для разных ускорений j и разных скоростей снаряда.

Таблица 17.

Видим, что даже при скорости в 5 км/сек и ускорении земной ракеты в 0,1 тяжести (/ = 1) потеря не превышает К)⁹/о. Но тут большое неудобство: ракета должна иметь в длину до 5 км. При малых скоростях и малых длинах снаряда поглощается незаметный процент работы. Но тут тупой снаряд даст значительное сопротивление от работы раздвигания воздуха.

Длина земной ракеты не должна превосходить 100 м, в противном случае ракета будет иметь большую массу и стоимость, да и абсолютная работа, необходимая для придания ей скорости и одоления сопротивления воздуха, будет велика. Значит, надо много взрывчатых веществ и затрат на них. Если ракета будет короче, чем в таблице, в j раз, то каждая частица воздуха будет подвергаться смещению более короткое время, чем в том случае, когда скорость снаряда численно равна длине его.

Время уменьшится в раз.

Толщина s увлекаемого слоя воздуха уменьшится не пропорционально, а примерно в | 1-)-1п Р^аз— Во столько же раз уменьшится и сопротивление воздуха. Таким образом вместо формулы (176) получим более точную, пригодную для всяких длин земной ракеты, а именно.

Положим длину ракеты постоянной и равной 100 м Скорости же различны. Тогда получим табл. 18.

Таблица I".

Последняя графа показывает, во сколько раз уменьшается толщина прилипшего слоя газа н сопротивление от трения в зависимости от изменения длины (2-я строка).

Пусть в формуле (178) s-0,01; (=100; Ь=3. Тогда найдем

Это дает возможность составить табл. 19 абсолютных и относительных сопротивлений при разной силе взрывания.

Таблица 19.

Отсюда видно, что даже при самом малом ускорении (;=1) и ничтожной массивности (10 т) ракеты трение поглощает не более 17°/о.

Решим теперь вопрос о длине площадки для разбега земной ракеты. Часть площадки послужит для ускорения движения, а другая часть — для замедления и уничтожения его. Контрвзрывание не есть экономный способ уничтожения приобретенной скорости. Торможением через трение или сопротивление воздуха это можно сделать даже скорее, т. е. на более коротком пути. Можно прекратить смазку и выставить перпендикулярно к направлению движения планы. Их воздушное сопротивление скоро уничтожит скорость земной ракеты. На торможение, особенно если космическая ракета уже улетела, нужна гораздо меньшая часть дороги, чем на* ускорение. Общая картина такова. Земная ракета мчится по рельсам ускоренным движением вместе с космической. Когда получится наибольшая скорость и начинается торможение земной ракеты, космическая вырвется по инерции из земной и пойдет своим путем все скорее и скорее благодаря начавшемуся собственному взрыванию. Заторможенная же воздухом или другими средствами земная ракета покатит далее по площадке, но все медленнее, пока не остановится. Тормозящую часть площадки мы не будем считать, так как она может быть очень коротка. Чтобы сопротивление было наименьшим, космическая ракета должна составлять переднюю часть земной. Нос первой будет открыт (наружу), а корма спрячется в ракете земной. Когда движение последней будет замедляться, то космическая ракета вырвется из земной и оставит ее. В земной этим самым откроется широкая пасть (зев), которая представляет огромное сопротивление и будет сильно тормозить движение. Ракета без хлопот сама остановится. Земная ракета очень длинна, ад космическая займет в ней своей кормой только малую часть. Остальная останется для наполнения ее взрывчатым материалом и. органами управления.

Для составления табл. 20 (наибольших скоростей земной ракеты) имеем формулу.

Тут видим равнодействующую р, ускорение от взрывающей силы /, от тяжести Земли (10 м!сек²) и угол наклона пути к горизонту. Далее

Давление Р взрывчатых веществ на ракету определяется уравнением

где G₀ есть вес ракеты; давление выражено в обыкновенных единицах.

Таблица 20.

Площадку считаем горизонтальной (у=0). Может понадобиться только очень малый наклон, который уменьшит немного приведенные скорости, как и сопротивление воздуха.

Время движения земной рэкеты получим, если скорость разделим на ускорение ]. Так, при 500 км пути оно по таблице будет от 100 до 1000 сек. При пути в 1 км время будет от 4Ч* до 45 сек. Время торможения может быть очень коротко.

Тяжесть, которая рождается от ускорения, по таблице* меняется от 0,1 до 10 земной. Слагаясь с последней, она дает кажущуюся тяжесть в ракетах от 1 до 10 (приблизительно). Рельсовый путь где-нибудь в горах, на высоте, возможен длиною и в 500 км (около 5° окружности Земли), так что есть даже надежда на получение космических скоростей. Но большая тяжесть заставляет повышать прочность ракет и тем увеличивать их массы. Наконец, увеличивается работа сопротивления воздуха. Одним словом, достаточно и ускорение ), равное земному, и тогда уже получим вполне достаточную предварительную скорость до 3160 м.сек. Небольшой очень полезный наклон пути в 10—20° немного уменьшит подготовительную скорость.

Можем вычислить и запасы взрывания для земной ракеты. Если пустая земная ракета весит Юти небесная ракета с зарядом столько же, то все вместе составит 20 т. Теперь по табл. 6 вычислим в тоннах запас взрывного материала для земной ракеты для получения разных скоростей. Скорость отброса W допустим в 4 км!сек.

Таблица 21.

Этих скоростей вполне довольно, между тем запас не превышает 40 т. Заметим, что сильное торможение может убить человека, управляющего земной ракетой. Поэтому лучше, если последняя управляется автоматически без людей. Пассажиры же космической ракеты при торможении окажутся вне земной ракеты, от которой космическая ракета уже отделится.

Если космическая ракета таким путем получила начальную скорость без затраты своего собственного запаса, то она его может запасать меньше или при тех же запасах получать ббльшую космическую скорость.

Мы имели и

Если начальная скорость ракеты равна с", то т. е.

масса отброса будет наибольшая (начальная). Следовательно,.

Вычитая из (35) (183), получим.

Если Af,=0, то получим наибольшую скорость с, — Следовательно,

Положим, что подготовительная начальная скорость ракеты равна 3 км1сек, а надо иметьс=8 км1сек. IV положим в Таблица 22.

5 км/сек. Тогда по табл. 6 найдем относительный. запас космической ракеты разным М", :М"=1,8, между тем как для получения скорости в 8 км/сек нужен относительный запас в 4 (табл. 6); из (185) можем получить.

Воспользуемся этой формулой, чтобы составить сравнительную табл. 22.

Из таблицы видно, что космическая ракета, имеющая предварительную скорость, гораздо менее перегружается взрывчатыми веществами, чем не имеющая этой скорости. Так, для получения высшей космической скорости, одолевающей притяжение Солнца (17 км/сек), надо бы взрывчатых веществ в 30 раз больше веса ракеты. Если же ракета еще на суше получила уже 5 км/сек, то относительный запас составит только 10-кратный вес. Первая космическая скорость требует четырехкратного запаса; если же была подготовительная скорость в 3 км/сек, то вес взрывчатых веществ составит только 0,8 веса ракеты.

Форма земной ракеты

Форма земной ракеты—очень удлиненная, наименьшего сопротивления. Удлиненность может достигать 50. Так как ракета не покидает Землю и достаточно плотные слои атмосферы, то ее нет надобности делать герметически закрытой. Ее корпус может быть уподоблен корпусу аэроплана. В нем содержится помещение для взрывчатых веществ, которые нагнетаются насосами во взрывную труб) и выбрасываются силою взрыва в задней части ракеты. В ней же находится для накачивания и двигатель, приводимый в действие бензнномотором (возможно для этого и предварительное использование небольшой части запаса взрывчатых веществ; после работы в моторе они поступают во взрывную трубу и совершают работу реакции).