Доцент
В. Я. Аррисон
В новой технике, использованной воюющими странами во второй мировой войне, особый интерес представляли те боевые средства, действие которых основано на применении принципа прямой реакции.
Сам по себе эффект прямой реакции известен давно. В любом элементарном курсе физики этот принцип иллюстрируется примерами перемещения установленного на поплавке сосуда с жидкостью, вытекающей через боковое отверстие (рис 1), или вращения так называемого Сегнерова колеса (рис. 2).
Вспомним некоторые положения из теоретической механики.
В динамике доказывается, что всю массу тела (системы) можно представить себе сосредоточенной в одной точке, называемой центром инерции системы. При воздействии на тело (систему) внешних сил, движение его центра инерции происходит так, как будто бы эти силы воздействовали непосредственно на самый центр инерции. Без приложения внешних сил центр инерции теля (системы) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Никакими внутренними силами нельзя вывести центр инерции из покоя или изменить состояние его движения, если тело (система) находилось ранее в покое или движении.
В свете этих положений обратимся к некоторым явлениям окружающей нас обстановки.
Представим себе конькобежца, стоящего на гладком льду с каким-либо тяжелым грузом и бросающего этот груз вперед в горизонтальном направлении. Что произойдет при этом с конькобежцем? Центр инерции системы конькобежец — груз должен остаться в покое, так как бросание груза осуществляется внутренними силами. Но часть общей массы системы (груз) переместилась, — следовательно, для того чтобы центр инерции системы остался в покое, и остальная масса
 Рис. 1. |
Посмотрим теперь, что происходит при выстреле из пушки или ружья. Перед выстрелом пушка и снаряд находятся в состоянии покоя. В момент выстрела, по мере сгорания заряда, снаряд, двигаясь по каналу ствола орудия, приобретает громадную скорость и при вылете из орудия обладает определенным количеством движения. Точно такое же количество движения, но в обратном направлении, приобретает к этому моменту и само орудие. Но так как масса орудия во много раз больше массы снаряда, то обратное движение орудия (отдача) будет сравнительно невелико и легко амортизируется (поглощается) соответствующим устройством.
Приведенные примеры и подобные им явления представляют собою выражение одного и того же эффекта прямой реакции. Этот эффект наблюдается, например, если перейти с одного конца неподвижно стоящей на воде лодки на другой. Лодка при этом передвигается в противоположном направлении на величину, определяемую тем же условием неизменности положения центра инерции системы человек — лодка. Перемещаясь по дну лодки, человек прикладывает к ней горизонтальные реакции трения своих подошв, что и заставляет лодку перемещаться. Этим же эффектом обусловлено движение стоящего на поплавке сосуда с вытекающей жидкостью или вращение Сегнерова колеса с бьющими из боковых отростков струями жидкости или пара (рис. 1), полет ракеты и целый ряд других явлений, известных человечеству еще с давних времен. Среди них отметим перемещение рыб, которые, выбрасывая струю воды из жаберной полости по направлению к хвосту, тем самым способствуют своему движению вперед, движение медузы, отбрасывающей путем сжатия своего колокола струю воды в направлении, противоположном ее движению. Интерес представляет способ перемещения головоногих, у входа в полость мантии которых (так называется кожная складка, которой одеты эти морские животные) расположена воронка, широкое отверстие которой направлено внутрь полости, а узкое — наружу. Вода, поступающая в мантийную полость, проталкивается наружу через воронку, благодаря сильным сокращениям мантии. Животное получает толчок в противоположную сторону и плавает поэтому задом наперед.
Впервые принцип прямой реакции был экспериментально исследован еще в древности, повидимому, Героном Александрийским, который за 120 лет до нашей эры построил свою реактивную турбинку в виде полого шара с боковыми отростками, согнутыми под прямым углом. При выходе через боковые трубки пара, подаваемого внутрь шара через полые оси, шар начинал быстро вращаться.
Установленная Героном возможность полезного использования движущей силы реакции паровой струи дальше занятного эксперимента не пошла. Первые упоминания о практическом использовании принципа прямой реакции для полета ракеты относятся к X в. (Марк Грек). Более достоверными являются сведения о применении ракет китайцами в XIII в. при обороне Китая против монголов. Проникнув в Европу, эта идея не получила развития, так как примерно в это время (XIV в.) появилось ручное огнестрельное оружие, которое оказалось более эффективным, чем китайская ракета.
Тем не менее описания ракетных установок, способов изготовления ракет и практического их применения встречаются в европейской литературе начиная с XIII в. очень часто. Известны случаи использования ракет как боевых и сигнальных средств арабами, индусами и европейцами. В конце XVIII в. английскому полковнику Конгреву удалось сконструировать удовлетворительно работающую ракетную установку, которая в 1804 г. была введена на вооружение в английской армии и в дальнейшем успешно применялась в боевых операциях английского флота против французов (1806), датчан (1807) и американцев (1812—1814) и позже получила довольно широкое распространение по всей Европе.
Однако дальнейший прогресс ракетного оружия оказался снова приостановленным быстрым развитием артиллерии, появлением нарезных орудий с большой точностью стрельбы. Это вызвало даже окончательное расформирование ракетных бригад в английской армии в 1885 г. К этому времени дальность полета боевых ракет достигала уже 7,5 км Ракеты применялись различного веса — от 1 до 120 кг.
Значительный интерес к ракетному делу был проявлен и в России. Еще в 1680 г. в Москве была основана первая ракетная мастерская, в работах которой деятельное участие принял позже Петр I. В 1832 г. в С.-Петербурге была учреждена Пиротехническая артиллерийская школа, которая сыграла немалую роль в развитии отечественной теории и практики ракетного дела. Крупнейшим специалистом ракетного дела К. И. Константиновым (1818—1871) была сконструирована одна из лучших ракет того времени, имевшая дальность полета до 4 км.
Параллельно с развитием практики ракетного дела, начиная с XVII в. идет разработка и теории реактивного движения. В этой области имеются работы Гюйгенса (1673), Ньютона (1687), Гравесанда (1724), Д. Бернулли (1736), Мура (1815), Жуковского (1882) и др.
В конце XIX в. впервые в России возникает идея использования реактивного движения в авиации. После появления в 1881 г. проекта известного народовольца Н. И. Кибальчича, эта идея получила дальнейшее развитие в трудах К. Э. Циолковского, который уже в 1903 г. предложил использовать реактивное движение для межпланетных сообщений. Позже теория и практика реактивного движения получает развитие в работах Лорена, Эно-Пельтри, Оберта, Годдара и многих других, которые в своих теоретических изысканиях и экспериментах исследовали различные варианты использования принципа прямой реакции главным образом в применении к реактивным двигателям.
Однако теоретический материал, накопленный в первом десятилетии XX в., оказался недостаточным для практического его использования в первой мировой войне.
Это использование ограничилось лишь применением главным образом сигнальных и осветительных ракет со сравнительно ограниченным радиусом и кратковременностью действия. Зато период между войной 1014—1918 гг. и второй мировой войной характеризуется во всех странах напряженной работой в области реактивной техники. Плоды этой работы сказались уже с первых же недель после начала военных действий, и реактивное оружие стало прочно входить в обиход войны.
Современная реактивная техника имеет преимущественно военное применение и развивается главным образом в двух основных направлениях: как реактивное оружие в артиллерии и как двигатели прямой реакции в авиации. Помимо того широкое распространение получила ракета как сигнальное и осветительное средство, а также для метеорологических, почтовых и других специальных целей.
Реактивная (нествольная) артиллерия в современной войне завоевала себе прочное место. Будущее развитие ее трудно переоценить в связи с теми особенностями, которыми характеризуется этот вид оружия. В основном эти особенности сводятся к следующему.
Применение реактивных снарядов чрезвычайно упрощает и облегчает конструкцию пускового устройства, т. е. орудия, и позволяет легко осуществить многозарядные боевые установки. Эти установки могут быть маневренно сгруппированы большими массами и вести стрельбу темпами, не достижимыми в ствольной артиллерии.
Наличие метательного заряда в самом реактивном снаряде устраняет отдачу орудия и накаливание ствола. В связи с этим вообще отпадает необходимость в толстостенном стволе, характерном для пушки. Последний может быть заменен обыкновенной направляющей трубой или даже устройством в виде направляющих параллелей (брусьев, рельсов).
Так как реактивный снаряд после выстрела набирает скорость с ускорением во много раз меньшим, чем у артиллерийских снарядов обычного типа, имеется возможность стенки его боевой части делать очень тонкими, что позволяет значительно увеличить количество взрывчатых веществ, заполняющих снаряд.
Возможность осуществления постепенного нарастания скорости полета реактивного снаряда приводит к тому, что наивысшая скорость может быть получена при приближении его к цели. Это обстоятельство, вместе с другими специальными средствами, позволяет значительно увеличить бронебойное действие снаряда.
Развитие реактивной артиллерии открывает почти неограниченные возможности стрельбы на дальние и сверхдальние дистанции.
Одним из существенных недостатков реактивной артиллерии является большое рассеивание снарядов, что объясняется следующими причинами:
1. В начале своего полета реактивный снаряд как было уже упомянуто, летит со сравнительно небольшой скоростью, и устойчивость траектории полета, достижимая собственным вращением снаряда, еще не велика. Поэтому он более подвержен всякого рода отклоняющим воздействиям, чем обычный артиллерийский снаряд.
2. Так как в качестве метательного заряда в реактивных снарядах применяются взрывчатые вещества замедленного действия, процесс их сгорания в разных снарядах не одинаков в той мере, в какой это имеет место в обычной артиллерии. Поэтому и реактивный эффект получается разный, а стало быть, и разная дальность полета.
3. В реактивных снарядах обычной конструкции по мере сгорания метательного заряда центр тяжести снаряда перемещается к носовой части, что не может не сказаться на траектории полета:
4. Условия полета реактивного снаряда во время горения метательного заряда и после сгорания последнего — разные. Во время горения непосредственно за снарядом образуется область высокого давления, после сгорания, наоборот, — область разрежения. Таким образом, на разных этапах полета реактивного снаряда характеристика его не сохраняется постоянной.
Вследствие всех этих причин точность стрельбы реактивными снарядами получается сравнительно невысокой, и реактивная артиллерия становится эффективной главным образом при стрельбе по площадям. Этот недостаток в значительной мере компенсируется мобильностью и массированностью огня реактивных установок. Заметим, впрочем, что непрерывное совершенствование этого вида оружия за последнее время привело к резкому повышению точности стрельбы.
Сам по себе реактивный снаряд представляет собою тело удобообтекаемой формы, внутри которого размещена камера сгорания метательного заряда и сопло1. При сгорании метательного взрывчатого вещества происходит интенсивное образование газообразных продуктов, нагретых до высокой температуры. В камере сгорания создается высокое избыточное давление, благодаря чему газы через сопло устремляются с большой скоростью наружу, что и приводит к появлению реактивного эффекта.
1 Сопло — конической формы труба, служащая для создания закономерного потока продуктов сгорания.
Для придания надлежащей устойчивости траектории полета реактивного снаряда ему сообщается быстрое вращение. Оно осуществляется либо поставленными под углом к линии полета лопастями стабилизатора, либо косым расположением боковых отверстий, через которые происходит частичное истечение продуктов сгорания. Точные данные о составе вещества метательного заряда, применяемого в реактивных снарядах, засекречены. Обычно это бывает специальным образом приготовленный порох замедленного сгорания. Для того чтобы обеспечить время горения заряда в течение примерно первой половины полета снаряда (т. е. две-три секунды), немцы в своих реактивных минах применяли так называемый «заряд Тиллинга»1, состоящий из обычного мелкозернистого быстросгорающего пороха и прессованного (с меньшим процентом селитры), медленно сгорающего.
1 Тиллинг — немецкий химик, погибший в 1933 г. во время взрыва при испытании реактивного двигателя для гоночного автомобиля.
В печати имеются сведения о применении американцами и англичанами в качестве метательного заряда бездымного пороха в смеси с неактивным веществом. Жидкое горючее для боевых реактивных снарядов не применяется вовсе.
Современные реактивные (ракетные) обычные установки обладают дальнобойностью в несколько раз меньшей, чем ствольные орудия. Предельная дальность немецких реактивных 25-килограммовых мин не превышает 5500 м. Скорострельность многоствольных немецких минометов значительно уступает советской «Катюше», установленной на обыкновенной грузовой автомашине. Опыт боевого применения «Катюши» показал ее прекрасную маневренность и способность совершенно внезапно, буквально в течение нескольких секунд покрыть значительную площадь огнем большой плотности. Эта установка оказалась совершенно незаменимой при отражении атак противника, преследовании отступающего врага, поражении сосредоточений его живой силы и техники и т. п.
В ходе войны немцы, использовав опыт Красной Армии, ввели у себя на вооружение десятиствольный миномет калибра 158 мм, установленный на бронетранспортере, 300 мм реактивный фугасный снаряд с дальностью полета 4500 м, 210 мм мины с дальностью 7850 м, реактивное противотанковое ружье «Офенрор» калибра 88 мм и почти полностью скопировали одну из наших установок и реактивный снаряд к ней.
У англичан и американцев имеются на вооружении реактивные осколочные зенитные снаряды и зенитные снаряды заграждения, выбрасывающие на определенной высоте парашют с тонким длинным тросиком, реактивные снаряды, применяемые на самолетах для стрельбы по земным и воздушным целям, и т. п. Особый интерес представляет американское реактивное противотанковое ружье М-1 калибра 58 мм — так называемая «Базука». Это ружье состоит из метательного цилиндра длиною около 126 см и весом примерно 5 кг, выбрасывающего мину весом около 1 кг яйцевидной формы со стабилизатором. Метательный заряд мины очень маленький и так же соответственно мала и скорость полета. Громадная разрушительная сила этой мины достигается особым зарядом, расположенным в ее носовой части и взрывающимся в момент удара в цель. Сосредоточенное действие взрыва этого заряда при весьма малом весе самой мины способно пробивать броню тяжелого танка и вызывать внутри пожар.
Что касается нашей реактивной артиллерии, то она вполне отвечает уровню современной техники.
Современная авиация с каждым годом предъявляет все более и более высокие требования к авиамоторостроению. Увеличение максимальной скорости боевых самолетов до 750 —800 км в час, повышение рабочего потолка (предельной высоты подъема) до 12—15 км и скороподъемности до 5000 м в 1,5—2 мин. — все это требует от винтомоторной группы самолета таких характеристик, осуществление которых становится чрезвычайно затруднительным: размеры мотора сильно увеличиваются, коэффициент полезного действия винта падает и т. п. Это обстоятельство заставляет искать принципиально новые пути для решения поставленной задачи. Таким новым решением и является использование принципа прямой реакции.
Как известно, тяга винта во время полета самолета получается за счет противодействия столба воздуха, отбрасываемого назад вращающимся винтом.
При этом винту приходится «обрабатывать» громадные массы воздуха для того, чтобы получить требуемое тяговое усилие. Так, например, для получения тяги около 450 кг для полета со скоростью около 600 км/час воздушный винт самолета, приводимый во вращение мотором в 1250 лошадиных сил, должен отбросить назад около 50 т воздуха в минуту со скоростью (относительно земли) около 5,5 м/сек1. Эта скорость может показаться на первый взгляд очень маленькой. Однако следует учесть, что в полете скорость воздушного потока, отбрасываемого винтом, относительно самого самолета складывается из скорости полета, увеличенной на скорость отброса воздуха относительно земли (т. е. 5,5 м/сек).
1 При этом предполагается, что полет происходит в неподвижном воздухе, т.е. ветер не учитывается.
Скорость отбрасываемого винтом потока относительно земли не остается постоянной: она меняется в зависимости от скорости полета. У самолета, стоящего на земле с работающим мотором, она может увеличиться в десять раз, а по мере увеличения скорости полета непрерывно падает. С этим, собственно говоря, и связано падение коэффициента полезного действия винтомоторной группы при полете самолета на очень больших скоростях.
Итак, дли получения достаточной тяги, воздушному винту приходится оперировать в полете с большими массами воздуха, которым сообщается сравнительно небольшая скорость.
Вспомнив приведенные выше рассуждения о «количестве движения», нетрудно сообразить, что эта же тяга могла бы быть получена, если бы источник получения тяги «обработал» небольшую массу воздуха, но сообщил бы ей большую скорость (например 5 т воздуха в минуту, отброшенного назад со скоростью 55 м/сек). Именно эти соображения и привели конструкторскую мысль к идее замены обычного винтомоторного двигателя установками, использующими силы прямой реакции.
Все современные установки подобного типа могут быть подразделены на следующие разновидности:
1. Установки с использованием только сил прямой реакции, за счет которых непосредственно получается тяга. К установкам этого типа относятся, во-первых, ракетные двигатели, у которых реактивная сила создается, как у ракеты, исключительно истечением продуктов сгорания твердого, жидкого или газообразного топлива, во-вторых — воздушно-реактивные двигатели (ВРД), у которых основным источником реакции является струя сжатого атмосферного воздуха, нагреваемого теплом выхлопа и специально сжигаемого топлива.
2. Авиамоторные установки с винтовой реакцией в виде двух основных вариантов, а именно: когда винт приводится во вращение двигателем через механическую передачу, а дополнительная тяга получается за счет истечения продуктов выхлопа двигателя через специальные реактивные насадки, установленные на концах лопастей винта, или же когда винт приводится во вращение исключительно реактивной силой (по принципу Сегнерова колеса) и не имеет механической связи с двигателем, который по существу является только генератором газов.
3. Авиамоторные установки с воздушным винтом и использованием сил прямой реакции, у которых винт механически связан с двигателем, но часть мощности использована для получения тяги прямой реакции.
В настоящее время наибольшее распространение получила первая разновидность реактивных установок, представляющая наибольший практический интерес.
Ракетные двигатели имеют пока только главным образом теоретический интерес, как средство межпланетных сообщений. Для преодоления земного притяжения ракета должна развить скорость порядка 40 000 км/час. Существующие виды горючего и материалов не дают возможности достичь таких скоростей. Все же серьезные американские авторы, как, например, Willy Ley1, считают что в будущем не исключена возможность полета на луну с помощью ракетного двигателя.
1 Автор вышедшей в 1944 г. книги по реактивному движению.
Как источник получения тяги, особенно при не очень высоких скоростях, ракетные двигатели весьма неэкономичны, вследствие непомерного расхода топлива. Однако за последнее время довольно широкое распространение получило применение ракетных установок в качестве вспомогательных приспособлений для облегчения взлета тяжело перегруженных самолетов и быстрого набора высоты. Подобного рода установки, состоящие из нескольких крупнокалиберных ракет, прикрепляются к нижней части фюзеляжа и вводятся в действие при взлете. После использования пустые гильзы ракет и сама установка сбрасываются (обычно на парашюте).
Вспомогательные ракетные установки могут сказаться весьма полезными для взлета с неприспособленных площадок малого размера. На авианосцах военно-морского флота США в последнее время удалось благодаря применению пусковых ракет: а) уменьшить разбег истребителя для взлета на 33—60% и тем самым существенно увеличить пропускную способность палубы корабля, б) значительно увеличить нагрузку самолета, так как пусковая ракета развивает значительную дополнительную тягу.
Особый интерес и развитие получили за последнее время воздушно-реактивные двигатели (ВРД), одна из простейших принципиальных схем которых показана на рис. 3.
В области ВРД имеется много и теоретических исследований и практических работ. Наибольшее распространение получила схема реактивной газовой турбины, работа которой заключается в следующем. Воздух из атмосферы поступает в компрессор, откуда с повышенным давлением идет разветвляясь в камеру сгорания и турбину, ротор которой сидит на одном валу с компрессором. В камеру сгорания вспрыскивается топливо, и, таким образом, в турбину поступает уже сильно нагретая смесь. Небольшая часть энергии
 Рис. 3. В — входной насадом, КТ — агрегат компрессора с турбиной, Р — номера сгорания, С — выходное сопло |
Применение реактивных двигателей на самолете дает ряд ценных преимуществ: реактивный двигатель легче и дешевле обыкновенного авиадвигателя: габариты его меньше, что позволяет уменьшить вредное сопротивление самолета; вредное сопротивление уменьшается также и благодаря отсутствию винтов.
Вместе с тем широкое применение ВРД ограничивается большим расходом горючего. Кроме того, постройка двигателей этого типа сопряжена с известными конструктивно-технологическими трудностями, обусловленными напряженным режимом работы отдельных деталей при высокой температуре.
В настоящее время и у нас в Союзе и за границей имеются образцы самолетов с ВРД. Эти самолеты находятся уже в опытной эксплоатации.
Кроме того, внимательно изучается и совершенствуется опыт применения в минувшей войне самолетов-снарядов и ракетных самолетов.
О том внимании, которое уделяется во всех странах развитию реактивной техники, можно судить хотя бы по тому факту, что в Англии создан Министерством авиационной промышленности специальный объединенный комитет из представителей всех фирм, работающих над реактивными двигателями.
Среди обнаруженных после капитуляции Германии научно-исследовательских и экспериментальных работ по усовершенствованию технических средств войны обращают на себя внимание:
1. Артиллерийские снаряды с реактивными двигателями. Во время полета снарядов в определенный момент начинает действовать реактивный двигатель, дающий снаряду дополнительный импульс движения.
2. Широкое применение инфракрасных лучей для фотографирования на очень больших расстояниях для борьбы с танковыми экипажами противника ночью.
3. Управляемые снаряды, нацеливаемые с самолета на наземные объекты или с самолета на самолет противника.
4. Торпеда с дальностью действия 130 км, снабженная акустическим прибором, позволяющим находить цель по звуку.
5. Подводная лодка с реактивным двигателем, развивающая в погруженном состоянии скорость порядка 25 узлов в час.
6. Новый вид горючего, служивший одновременно и в качестве взрывчатой смеси.
7. Очень легкий невоспламеняющийся синтетический каучук, фактически не пробиваемый пулей.