На стартовой позиции

В настоящее время среди ракетных двигателей наибольшее распространение получили два вида: ЖРД — жидкостные ракетные двигатели и РДТТ — ракетные двигатели твердого топлива.

Любой двигатель состоит из целого ряда агрегатов, узлов и систем. Основной агрегат — камера сгорания. В ней в результате экзотермической реакции окисления, то есть горения, компоненты топлива превращаются в рабочее тело — продукты сгорания. При этом выделяется огромная тепловая энергия: давление в камере повышается. Оно-то и заставляет продукты сгорания, ускоряясь по длине камеры, и особенно сопла, выбрасываться наружу с большой скоростью. Чем выше скорость истечения продуктов сгорания у среза сопла, тем лучше. А для ракеты, как нам известно, это особенно важно. Поэтому камера сгорания и сопло выполняются определенной формы для того, чтобы у среза сопла газы имели максимально возможную скорость. Наука, занимающаяся изучением движения продуктов сгорания в камере ракетного двигателя, называется термодинамикой. Настоящему ракетчику необходимо овладеть основами этой науки.

У жидкостного ракетного двигателя немаловажной составной частью является система подачи топлива. Ее назначение состоит в том, чтобы обеспечивать подачу компонентов топлива в камеру сгорания в необходимой пропорции и под определенным давлением.

В двигатель входят также трубопроводы, дозирующие устройства, различного рода датчики, клапаны, элементы автоматического регулирования работы двигателя, системы заправки, слива топлива, запуска и выключения двигателя. Поэтому применительно к ЖРД правильнее его называть не двигателем, а двигательной установкой.

С устройством и работой наиболее распространенных ракетных двигателей мы познакомимся ниже.

Значительное место в ракете занимает топливо. Это и понятно. Чем больше топлива на борту ракеты, тем она дальше полетит. В ракетах дальнего действия почти все пространство внутри огромного корпуса заполнено топливом. Его запас составляет 80 и более процентов от начального, стартового, веса ракеты.

Непременные компоненты топлива — горючее и окислитель. В обычных условиях процесс горения поддерживается, если так можно выразиться, автоматически — за счет воздуха. Так, например, горят дрова в костре, каменный уголь или мазут в топке парохода. А на больших высотах, в стратосфере, куда залетает ракета, воздуха практически нет. Вот и приходится загружать ракету окислителем, причем брать его значительно больше, чем горючего. Это видно, например, из следующего соотношения: для полного сгорания килограмма такого вида горючего, как керосин, требуется 14,8 килограмма воздуха, или 5,5 килограмма азотной кислоты, или 3,37 килограмма жидкого кислорода.

Большинство жидкостных ракетных двигателей работает на двухкомпонентном топливе. На борту ракеты компоненты хранятся раздельно, в разных баках, и соединяются только в камере сгорания.

В качестве горючего могут применяться керосин, спирты и другие вещества. Окислительным компонентом могут служить кислоты с большим содержанием кислорода, например азотная кислота, а также другие вещества: четырехокись азота, жидкий кислород и т. д.

Топливо для работы ракетного двигателя может быть не только в жидком, но и в твердом агрегатном состоянии. Поэтому твердое топливо содержит горючие и окислительные элементы одновременно.

В одном случае эти элементы могут представлять собой твердый раствор и их называют двухосновными (медленно горящий ракетный порох); в другом случае механическая смесь зерен горючего и окислителя — это смесевые топлива.

Твердое двухосновное топливо обычно прессуется в шашки различной формы. Смесевое топливо заливается непосредственно в камеру сгорания и, остывая в ней, твердеет, прочно соединяясь с внутренней поверхностью стенки. Оно отливается также и в виде отдельных шашек.

Одна или несколько шашек твердого топлива, помещенных в камеру сгорания, составляют весь запас топлива данного двигателя и называются топливным зарядом.

Назначение систем управления — повышение точности стрельбы. Это своеобразный электронный «мозг» ракеты, который точно ведет ее по расчетной траектории к цели.

Все системы управления по принципу действия можно разделить на четыре основные группы: инерциальные, системы телеуправления, самонаведения, комбинированные.

В инерциальных системах все сигналы управления вырабатываются аппаратурой, расположенной непосредственно на борту ракеты в соответствии с заранее установленной программой полета.

Системы телеуправления, или системы дистанционного управления, характеризуются тем, что траектория ракеты определяется наземным пунктом. А команды управления передаются на борт ракеты по радио.

Системы самонаведения — наиболее точные, но имеют наименьший радиус действия. У таких ракет есть специальное устройство, которое автоматически следит за целью. Счетно-решающее устройство определяет положение ракеты относительно цели, вырабатывает командные сигналы и передает их на органы управления.

В комбинированных системах стараются сочетать положительные свойства разных систем управления. Например, можно использовать принцип инерциального управления и самонаведения. Большую часть пути ракета будет управляться инерциально по программе, а при подлете к цели — чтобы увеличить точность попадания — используется самонаведение.

Любая система управления включает два комплекта приборов: наведения и стабилизации. Первый определяет наивыгоднейшую для поражения цели траекторию и корректирует полет по направлению к цели. Второй следит, чтобы ракета не отклонялась от траектории, задаваемой приборами наведения при воздействии посторонних возмущающих факторов.

Как же происходит процесс управления? С момента старта на рули ракеты непрерывно поступают управляющие команды: либо от специального бортового устройства, либо с земли по радио. Рули выполняют эти команды, задаваемые приборами наведения. Этим и определяется характер траектории ракеты от места старта до цели.

На ракету во время полета действуют различные возмущающие воздействия. Пусть, например, сильный порыв ветра «попытался» отклонить ракету от расчетной траектории. Чувствительные датчики — измерительные органы — моментально зафиксируют величину этого отклонения и его направление. Бортовое вычислительное устройство, используя эти данные, вырабатывает корректирующие команды. Они затем усиливаются, преобразуются и передаются на исполнительные органы. Последние разворачивают ракету и возвращают ее на траекторию полета к цели.

Рассмотрим сначала устройство жидкостной ракеты с вытеснительной системой подачи топлива. Называется она так потому, что компоненты топлива подаются в камеру сгорания путем вытеснения их из баков газом. Эту функцию выполняет специальный агрегат, называемый аккумулятором давления. Он — обязательный элемент вытеснительной системы.

Аккумулятор — это баллон с газом. Давление в нем высокое — до 300–350 атмосфер. Чтобы снизить его до рабочего давления подачи, используется газовый редуктор. Он настраивается таким образом, чтобы обеспечить превышение давления на форсунках по сравнению с камерой сгорания на 3–7 атмосфер. Такой избыток необходим для подачи компонентов топлива в камеру и их хорошего распыления и перемешивания перед сгоранием.

Так как давление в баках горючего и окислителя довольно высокое и оно поддерживается постоянным во все время работы двигателя, то стенки их делаются достаточно толстыми, прочными. Иначе баки может разорвать. Поэтому часто ЖРД с такой системой подачи называют двигателями с нагруженными баками. Они обычно применяются для относительно небольших ракет.

Конструкция данной ракеты такова, что аккумулятор давления расположен в межбаковом пространстве. Над ним — бак окислителя, ниже его — бак горючего. Окислитель поступает по трубопроводу непосредственно к форсункам и через них в камеру сгорания. Горючее проходит более сложный путь. Чем это вызвано?