Історія створення балістичної ракети, sneg

балістична ракета

За свою майже тисячолітню історію розвитку ракетна техніка пройшла гігантський шлях від примітивних «вогненних стріл» до найпотужніших сучасних ракет-носіїв, здатних виводити на орбіту багатотонні космічні апарати. Винайдено ж ракета була в Китаї. Перші документальні відомості про її бойове застосування пов'язані з облогою монголами китайського міста Піен-Кінга в 1232 році. Китайські ракети, що запускалися тоді з фортеці і наводили страх на монгольську кінноту, представляли собою невеликі мішечки, набиті порохом і прив'язані до стріли звичайного лука.

Слідом за китайцями запальні ракети почали використовувати індійці і араби, але з поширенням вогнепальної зброї ракети втратили своє значення і на багато століть були витіснені з широкого військового вживання.

Знову інтерес до ракети як до бойової зброї прокинувся в XIX столітті. У 1804 році значні удосконалення в конструкцію ракети вніс англійський офіцер Вільям Конгрев, який вперше в Європі зумів налагодити масове виробництво бойових ракет. Маса його реактивних снарядів досягала 20 кг, а дальність польоту - 3 км. При належній вправності ними можна було вражати цілі на відстані до 1000 м. У 1807 році англійці широко застосували цю зброю при бомбардуванні Копенгагена. У короткий термін по місту було випущено більше 25 тисяч ракет, в результаті чого місто було майже повністю спалено. Але незабаром розвиток нарізної вогнепальної зброї зробило застосування ракет малоефективним. У другій половині XIX століття вони були зняті з озброєння в більшості держав. Знову майже на сто років ракета отримала відставку.

Втім, різні проекти використання реактивної тяги вже в той час з'являлися то в одного, то в іншого винахідника. У 1903 році вийшла робота «Дослідження космічних просторів реактивними приладами» українського вченого Костянтина Ціолковського. У ній Ціолковський не тільки передбачив, що ракета стане коли-небудь тим транспортним засобом, який виведе людини в космос, але і вперше розробив принципову схему нового рідинного реактивного двигуна. Слідом за тим в 1909 році американський вчений Роберт Годдард вперше висловив ідею про створення та використання багатоступінчастої ракети. У 1914 році він взяв патент на цю конструкцію.

Перевага використання декількох ступенів полягає в тому, що після повного витрачання палива з баків ступені вона відкидається. Тим самим зменшується маса, яку необхідно розігнати до ще більш високих швидкостей. У 1921 році Годдард провів перші випробування свого рідинного реактивного двигуна, який працював на рідкому кисні і ефірі. У 1926 році він зробив перший публічний запуск ракети з рідинним двигуном, яка, правда, піднялася всього на 12, 5 м. В подальшому Годдард приділяв багато уваги стійкості і керованості ракет. У 1932 році він вперше запустив ракету з гіроскопічними кермом.

В кінцевому підсумку його ракети, маючи стартовий вага до 350 кг, піднімалися на висоту до 3 км. У 30-ті роки інтенсивні роботи по вдосконаленню ракет велися вже в декількох країнах.

Принцип роботи рідинного реактивного двигуна в загальних рисах дуже простий. Паливо і окислювач знаходяться в окремих баках. Під високим тиском вони подаються в камеру згоряння, де інтенсивно перемішуються, випаровуються, вступають в реакцію і спалахують. Утворені при цьому гарячі гази з великою силою викидаються назад через сопло, що призводить до появи реактивної тяги.

Однак реальне втілення цих простих принципів наражалося на великі технічні труднощі, з якими і зіткнулися перші конструктори. Найбільш гострими з них виявилися проблеми забезпечення стійкого горіння палива в камері згоряння і охолодження самого двигуна. Дуже непростими були також питання про високоенергетичному пальному для ракетного двигуна і про способи подачі компонентів палива в камеру згоряння, оскільки для повного згоряння з виділенням максимальної кількості тепла вони повинні були добре розпорошуватися і рівномірно перемішуватися між собою в усьому об'ємі камери. Крім того, потрібно розробити надійні системи, що регулюють роботу двигуна і управління ракетою. Знадобилося безліч експериментів, помилок і невдач, перш ніж всі ці труднощі були благополучно подолані.

Взагалі кажучи, рідинні двигуни можуть працювати і на однокомпонентному, так званому унітарній, паливі. У цій іпостасі можуть виступати, наприклад, концентрована перекис водню або гідразин. При з'єднанні з каталізатором перекис водню H2O2 з великим виділенням тепла розкладається на кисень і воду. Гідразин N2H4 в цих умовах розкладається на водень, азот і аміак. Але численні випробування показали, що більш ефективними є двигуни, що працюють на двох окремих компонентах, один з яких є пальним, а інший окислювачем. Добрими окислювачами виявилися рідкий кисень O2, азотна кислота HNO3, різні оксиди азоту, а також рідкий фтор F2.

Як пальне міг застосовуватися гас, рідкий водень H2, (в поєднанні з рідким киснем він є надзвичайно ефективним пальним), гідразин і його похідні. На початкових етапах розвитку ракетної техніки в якості пального часто використовувався етиловий або метиловий спирт.

Для кращого розпилення і перемішування палива (окислювача і пального) використовувалися спеціальні форсунки, розташовані в передній частині камери згоряння (ця частина камери називається форсуночного головкою). Вона, як правило, мала плоску форму, утворену з безлічі форсунок. Всі ці форсунки виконувалися у вигляді подвійних трубок для одночасної подачі окислювача і пального. Впорскування палива відбувався під великим тиском. Дрібні крапельки окислювача і пального при високій температурі інтенсивно випаровувалися і вступали один з одним в хімічну реакцію. Основне горіння палива відбувається поблизу форсуночного головки. При цьому сильно зростали температура і тиск утворюються газів, які потім спрямовувалися в сопло і з великою швидкістю виривалися назовні.

Тиск в камері згоряння може досягати сотень атмосфер, тому пальне і окислювач необхідно підводити під ще більшим тиском. Для цього в перших ракетах використовувався наддув паливних баків стисненим газом або парами самих компонентів палива (наприклад, парами рідкого кисню). Пізніше стали застосовувати спеціальні високопродуктивні насоси великої потужності з приводом від газових турбін. Для розкрутки газової турбіни на початковому етапі роботи двигуна подавали гарячий газ від газогенератора. Пізніше стали застосовувати гарячий газ, що утворюється з компонентів самого палива. Після розгону турбіни цей газ потрапляв в камеру згоряння і використовувався для розгону ракети.

Проблему охолодження двигуна спочатку намагалися вирішити, застосовуючи особливі жароміцні матеріали або спеціальну охолоджуючу рідину (наприклад, воду). Однак поступово був знайдений більш вигідний і ефективний метод охолодження шляхом використання одного з компонентів самого палива. Перед вступом в камеру один з компонентів палива (наприклад, рідкий кисень) проходив між її внутрішньої і зовнішньої стінкою й несе з собою значну частину тепла від самої теплонапружених внутрішньої стінки. Відпрацьована ця система була далеко не відразу, і тому на перших етапах створення ракети старти часто супроводжувалися аваріями і вибухами.

Для управління в перших ракетах застосовувалися повітряні і газові рулі. Газові рулі розташовувалися у зрізусопла і створювали керуючі сили і моменти за рахунок відхилення витікає з двигуна струменя газу. За формою вони нагадували лопаті весла. Під час польоту ці рулі швидко обгорає і руйнувалися. Тому в подальшому від їх використання відмовилися і стали застосовувати спеціальні керуючі ракетні двигуни, які мали можливість повертатися щодо осей кріплення.

В СРСР досліди зі створення ракет на рідинних двигунах почалися в 30-і роки. У 1933 році московська група вивчення реактивного руху (ГИРД) розробила і запустила першу радянську ракету ГВРР-09 (конструктори Сергій Корольов і Михайло Тихонравов). Ця ракета при довжині 2, 4 м і діаметрі 18 см мала стартову масу 19 кг. Маса палива, що складається з рідкого кисню і згущеного бензину, дорівнювала приблизно 5 кг.

Двигун розвивав тягу до 32 кг і міг працювати 15-18 с. При першому запуску через прогара камери згоряння газові струмені почали вириватися збоку, що призвело до завалу ракети і її пологому польоту. Максимальна висота польоту складала 400 м.

При створенні цієї ракети було зроблено безліч знахідок, широко використовуваних потім в ракетобудуванні, але було також багато недоробок. На «Фау» вперше була застосована турбонасосного подача палива в камеру згоряння (до цього зазвичай застосовувалося витіснення його стисненим азотом). Для розкрутки газової турбіни використовували перекис водню. Проблему охолодження двигуна намагалися спочатку вирішити, використовуючи для стінок
камери згоряння товсті сталеві листи з поганою теплопровідністю. Але перші ж старти показали, що через це двигун швидко перегрівається. Щоб знизити температуру горіння, довелося розбавляти етиловий спирт 25% води, що в свою чергу сильно знизило ККД
двигуна.

Але через недосконалу систему наведення вони в цілому виявилися досить неефективним зброєю. Однак з точки зору розвитку ракетної техніки «Фау» представляли собою гігантський крок вперед. Головне полягало в тому, що в майбутнє ракет повірили в усьому світі. після
війни ракетобудування отримало у всіх державах потужну державну підтримку.

США опинилися спочатку в більш сприятливих умовах багато німецьких ракетники на чолі з самим Брауном після розгрому Німеччини були доставлені в Америку, точно так само як і кілька готових «Фау». Цей потенціал послужив вихідним пунктом для розвитку американської ракетної індустрії. У 1949 році, встановивши «Фау-2» на невелику дослідницьку ракету «Вак-Корпорел», американці здійснили її запуск на висоту 400 км. На базі тієї ж «Фау» під керівництвом Брауна була в 1951 році створена американська балістична ракета «Вікінг», що розвивала швидкість близько 6400 км / год. У 1952 році той же Браун розробив для США балістичну ракету «Редстоун» з дальністю польоту до 900 км (саме ця ракета була використана в 1958 році в якості першого ступеня при виведенні на орбіту першого американського супутника «Експлорер-1»).
СРСР довелося наздоганяти американців. Створення власних важких балістичних ракет тут також почалося з вивчення німецьких «Фау-2». Для цього відразу ж після перемоги в Німеччину була направлена ​​група конструкторів (в числі яких знаходилися Корольов і Глушко). Правда, їм не вдалося роздобути жодної готової цілої «Фау», але за непрямими ознаками і численними свідченнями уявлення про неї було складено досить повне.

У 1946 році в СРСР почалися власні інтенсивні роботи зі створення автоматично керованих балістичних ракет дальньої дії.

Організоване Корольовим НДІ-88 (пізніше ЦНДІМаш в підмосковних Подлипках, нині місто Корольов) відразу отримало значні кошти і всебічну державну підтримку. У 1947 році на базі «Фау-2» була створена перша радянська балістична ракета Р-1. Цей перший успіх дався з величезними труднощами. При розробці ракети радянські інженери зіткнулися з безліччю проблем. Радянська промисловість не випускала тоді необхідних для ракетобудування марок сталі, не було потрібної гуми і потрібних пластмас. Величезні труднощі виникли при роботі з рідким киснем, оскільки всі були тоді мастила миттєво загусає при низькій температурі, і кермо переставали працювати.

Довелося розробляти нові типи масел. Загальна культура виробництва ні в якій мірі не відповідала рівню ракетної техніки. Точність виготовлення деталей, якість зварювання довгий час залишали бажати кращого. Випробування, проведені в 1948 році на полігоні Капустін Яр,
показали, що Р-1 не тільки не перевершують «Фау-2», а й поступаються їм за багатьма параметрами. Майже жоден старт не проходив гладко. Початки деяких ракет відкладалися через неполадки з багато разів. З 12 призначених для випробувань ракет з великими труднощами вдалося запустити
тільки 9. Випробування, проведені в 1949 році, дали вже значно кращі результати: з 20 ракет 16 потрапили в заданий прямокутник 16 на 8 км. Не було жодної відмови в запуску двигуна. Але і після цього минуло ще багато часу, перш ніж навчилися конструювати надійні
ракети, які стартували, летіли і потрапляли в ціль. У 1949 році на базі Р-1 була розроблена геофізична висотна ракета В-1А зі стартовою масою близько 14 т (при діаметрі близько 1, 5 м вона мала висоту 15 м). У 1949 році ця ракета доставила на висоту 102 км контейнер з науковими приладами, який потім благополучно повернувся на землю. У 1950 році Р-1 була прийнята на озброєння.

З цього моменту радянські ракетники вже спиралися на власний досвід і незабаром перевершили не тільки своїх вчителів-німців, а й американських конструкторів. У 1950 році була створена принципово нова балістична ракета Р-2 з одним несучим баком і відділяється головною частиною. (Паливні баки в «Фау» були підвісні, тобто не несли на собі ніякої силового навантаження.

Радянські конструктори спочатку перейняли цю схему. Але в подальшому вони перейшли до використання несучих баків, коли зовнішня оболонка, тобто корпус ракети, служив в якості стінок паливних баків, або, що те ж саме, паливні баки становили корпус ракети.) За своїми розмірами Р-2 була вдвічі більше Р -1, але завдяки застосуванню спеціально розроблених алюмінієвих сплавів перевершувала її за вагою всього на 350 кг. В якості палива тут як і раніше використовувалися етиловий спирт і рідкий кисень.

У 1953 році була прийнята на озброєння ракета Р-5 з дальністю польоту 1200 км. Створена на її базі геофізична ракета В-5А (довжина - 29 м, стартова маса близько 29 т) могла піднімати вантажі на висоту до 500 км. У 1956 році були проведені випробування ракети Р-5М, яка вперше в світі пронесла через космос головну частину з ядерним зарядом. Її політ завершився справжнім ядерним вибухом в заданому районі Аральського Каракумів в 1200 км від місця старту. Корольов і Глушко після цього отримали зірки Героїв Соціалістичної праці.

До середини 50-х років всі радянські ракети були одноступінчастими. У 1957 р з нового космодрому в Байконурі була успішно запущена бойова міжконтинентальна багатоступінчаста балістична ракета Р-7. Ця ракета довжиною близько 30 м і вагою близько 270 т складалася з чотирьох бічних
блоків першого ступеня і центрального блоку з власним двигуном, який служив другим ступенем. У першому місці використовувався двигун РД-107, в другому ступені - РД-108 на киснево-керосиновом паливі. При старті всі двигуни включалися одночасно і розвивали тягу близько
400 т.

Про переваги багатоступеневих ракет перед одноступінчастими вже говорилося вище. Можливі дві схеми розташування ступенів. У першому випадку найбільш масивна ракета, розташована внизу і спрацьовує в самому початку польоту, називається першим ступенем. Зазвичай на неї встановлюється друга ракета менших розмірів і маси, яка служить другим ступенем. На ній в свою чергу може розміщуватися третя ракета і так далі в залежності від того, скільки потрібно ступенів. Це тип ракети з послідовним розташуванням ступенів. Р-7 ставилася до іншого типу - з поздовжнім поділом ступенів. Окремі блоки (двигуни і баки з пальним) першого ступеня розташовувалися в ній навколо корпусу другого ступеня, і при старті двигуни обох ступенів починали працювати одночасно. Після вироблення палива блоки першого ступеня відкидалися, а двигуни другого ступеня продовжували працювати далі.

Кількома місяцями пізніше, в тому ж 1957 році, саме ця ракета вивела на орбіту перший в історії штучний супутник Землі.

Загальна оцінка матеріалу: 4.8