Необыкновенная жизнь обыкновенной капли - [6]
В беседе с академиком Б. В. Раушенбахом, нашим известным ученым, соратником С. П. Королева, Оберт с гордостью напомнил собеседнику, как одним из первых понял и высоко оценил труды Циолковского.
Не все ученые того времени были столь прозорливы, отчасти из-за своеобразия формы публикаций Константина Эдуардовича, заменявшего часто в формулах алгебраические символы словами. Оберта повезли в Центр подготовки космонавтов и среди прочего показали специальный бассейн, где удельные веса жидкости и плавающего тела одинаковы. Космонавты в скафандрах демонстрировали тренировку в условиях невесомости. Борис Викторович Раушенбах рассказывал: Оберту все очень понравилось, и он ко всеобщему веселью сделал вдруг заявку на приоритет:
— О да, интересно! Но я сам проделал это еще в 1916 году. Погружался с головой в свою ванну, держа трубочку во рту. Мне очень хотелось почувствовать, что есть невесомость...
Прошли годы. Вот-вот станет явью мечта Циолковского, говорившего, что Земля — колыбель человечества, но нельзя все время жить в колыбели. По обе стороны океана уже шли к космическим стартам. Но первым взлетел в космос 12 апреля 1961 года наш Юрий Гагарин на корабле «Восток», и одним из решающих факторов успеха были мощные и надежные ЖРД.
Вспомним рациональный, поразительно простой и эффективный принцип действия ЖРД (см. рис. 5). Горючее и окислитель из баков подаются центробежными насосами в камеру сгорания: окислитель — непосредственно к своим форсункам, а горючее — к своим, но через узкую полость между двойными стенками камеры сгорания и сопла. Только так, используя большой поток горючего в качестве охладителя, можно защитить камеру и сопло (конструктивно они представляют одно целое) от чудовищного (выше вулканического) жара, развиваемого внутри этого химического двигателя. Горючее, подогреваемое между стенками, готовится к процессу смесеобразования. В реальных двигателях вспомогательный насос подает его из отдельного бака в газогенератор — специальную меньшую камеру, работающую при более низкой температуре. Здесь оно газифицируется и идет как рабочее тело на колесо турбины. Турбина вращает соосно расположенные основной и вспомогательный насосы — все в целом образует ТНА (турбонасосный агрегат), компактный сгусток современной технической мысли; перед запуском ЖРД его раскручивает специальный стартовый движок. Автоматика регулирует режим работы, поддерживает заданную пропорцию жидких компонентов.
Камера сгорания ЖРД — подлинное царство капель, они владеют всем пространством на начальном ее участке — там нет никакой металлической начинки, как в ВРД (форкамеры, стабилизаторы). Здесь оба компонента реакции — и горючее, и окислитель — используются в виде жидкости, например керосин и сжиженный кислород (или спирт с азотной кислотой, отдающей кислород при разложении). В этом заключается отличие от ВРД, для которого возят с собой только жидкое горючее, а окислитель даровой — из воздуха атмосферы.
Все ВРД — проточные каналы, ЖРД — глухой горшок, дно его плотно усажено сотнями форсунок — форсуночная головка должна за секунду пропускать многие килограммы жидкости. В форсуночной головке распылители обоих компонентов расположены в определенном порядке, чтобы каждый факел горючего равномерно по возможности насытить окислителем. Часто используют сотовое расположение, подсказанное архитектурой пчелиного улья.
В адском горшке ЖРД приготовляется более калорийное варево, чем в камере ВРД. Температура газов на выходе из двигателя достигает 3500 К и более. Однако набор процессов смесеобразования здесь в принципе тот же, что и в воздушных камерах: распыливание, движение и испарение капель, смешение паров до горючей концентрации, только организованы они сложнее во времени и в пространстве. Все явления протекают почти рядом, бок о бок друг с другом и горением. Исследователи нарисовали картину рабочего процесса в ЖРД. Плотное облако капель в факелах форсунок увлекает за собой слои окружающего газа, на их место обратно засасываются встречные струи горячего газа — продукты полного и неполного сгорания из начальной зоны пламени. Образуются обратные токи — вблизи форсуночной головки крутятся колечки интенсивных вихрей. Только жидкие розетки, и густое облако капель спасают сами форсунки от выгорания.
Химическая реакция горения протекает бурно и идет преимущественно в газовой фазе; сквозь газ движутся горящие капли — давление в камере высокое: 50 и более атмосфер. Температура быстро нарастает от задней стенки к выходу камеры. Продукты сгорания поступают в реактивное сопло, где поток разгоняется до высоких сверхзвуковых скоростей, и таким образом тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Мы помним счетверенные слепящие блики на теле- или киноэкране, когда показывают запуск космического корабля,— это огненные выхлопные струи из сопел связки двигателей, ими оснащена космическая ракета, идущая в зенит.
Мощность и тяга современных ЖРД очень велики. Пять двигателей первой ступени американской ракеты «Сатурн», забросившей «Аполлоны» на Луну, имели тягу около 600 тонн каждый.
