"Техника-молодежи" 1955 г, №12, обл, с.9-13
 Головка ракеты с аппаратурой для исследования верхних слоев атмосферы. Здесь расположены: механизм сброса аппаратуры при вхождении ракеты в плотные слои атмосферы 1, спектрографы 2, источник питания спектрографов 3, кислотные аккумуляторы 4, реле времени 5, распределительная коробка 6, приемник сигнала сброса 7, импульсный передатчик 8. |
|
| О |
Если бы Земля была лишена атмосферы, то жизнь на ней оказалась бы невозможной. Она была бы такой же каменистой, покрытой слоем пыли, мертвой пустыней, как и Луна. Благодаря воздушной оболочке не исчезает вода в морях, реках и озерах, сохраняется тепло солнечных лучей, нет резких переходов от дневного жара к холоду ночи, от яркого света к тени. Без воздуха на Земле была бы мертвая тишина — звуки в безвоздушном пространстве распространяться не могут. Атмосфера предохраняет Землю от губительных ультрафиолетовых лучей, посылаемых Солнцем, она смягчает удары небесных пришельцев-метеоритов. В атмосфере происходят все процессы, которые объединены одним словом — «погода»: движение воздушных масс, образование и выпадение осадков и другие.
Человек живет в нижних слоях атмосферы, но происходящее в верхних ее слоях отнюдь не безразлично для него. Атмосфера — единый механизм, и ее слои неразрывно связаны друг с другом. От состояния верхних слоев атмосферы зависит погода в нижних — дождь, снег или град выпадет на посевы, случится заморозок или ночь будет теплой. От состояния высоких слоев атмосферы зависит дальняя радиосвязь, так как в них находятся области электрически заряженных частиц, отражающих электромагнитные волны. И не только поэтому все больше интересуют нас заоблачные дали атмосферы.
Этот интерес обостряется еще и потому, что все более высокие области ее «обживает» человек. Уже в ионосфере проходят пути далеко летающих ракет и скоро пройдут пути ракетных самолетов.
Не случайна эта борьба за высоту, которую сейчас ведет авиация. Плотность воздуха быстро убывает с удалением от земной поверхности. Сильно разреженный воздух оказывает значительно меньшее сопротивление полету. Поэтому в верхних слоях атмосферы ракетные самолеты смогут развивать весьма высокие скорости — в несколько тысяч километров в час. Кроме того, при полете на больших высотах не будет сильного нагрева от трения о воздух, который иначе мог бы быть чрезмерным и даже вообще сделать невозможным само движение с высокими скоростями.
Знание условий, господствующих на высотах в 100, 200 и больше километров, необходимо для конструирования далеко летающих управляемых ракет и сверхзвуковых самолетов с большой дальностью полета.
Исследование свойств атмосферы вдали от земной поверхности ведут двумя способами: прямым, поднимая туда приборы на самолетах и воздушных шарах, и косвенным, наблюдая с земли различные явления— свечение ночного неба, полярные сияния, облака и т. д. Максимальная высота подъема реактивного самолета в настоящее время составляет около трех десятков километров; воздушного шара — стратостата с людьми — 22 с небольшим километра (рекорд 1935 года). Шары-зонды с приборами поднимались на высоту до 40—42 км. Однако атмосфера простирается гораздо выше: следы воздуха встречаются на высоте около тысячи километров.
В последние годы появилось новое средство для подъема метеорологических приборов на высоту порядка нескольких десятков и даже сотен километров — высотные ракеты. Приборы, установленные на ракетах, помогли узнать много нового и подтвердили некоторые старые предположения и наблюдения.
В настоящее время известно довольно много образцов высотных исследовательских ракет.
Вот как устроена одна из подобных ракет. Головной отсек корпуса, по форме похожий на головку снаряда, изготовлен из алюминиевого сплава и вмещает около 70 кг полезного груза — исследовательской аппаратуры. Остальная часть корпуса — цилиндрическая, несколько суживающаяся к концу. В ней размещены топливные баки и двигатель, снаружи укреплены три стабилизатора. Стартовая пороховая ракета соединена с основной стержнями и прикрыта обтекателем для защиты от выхлопной струи двигателя. Старт производится с помощью пусковой башни высотой около 40 м. Ракета имеет длину 5,73 м, диаметр — 0,38 м. Максимальная скорость ее — 1250 м в сек., достигнутая высота — 128 км. Другие, более крупные ракеты такого типа достигали высоты 255 км.
Установка, подготовка и запуск высотной ракеты. Слева направо: транспортировка частей ракеты к месту старта; установка с помощью кранов; монтаж ракеты; наполнение горючим; взлет ракеты; наблюдение в телескоп за летящей ракетой. |  |
Более поздняя конструкция—американская ракета «Викинг № 9» развивает максимальную скорость около 2 тыс. м в секунду и достигает высот порядка 200 км. «Викинг №9» поднимает 342 кг полезного груза и весит на старте 5,5 т, из которых 3,5 т приходится на топливо.
Головная часть корпуса, отведенная под приборы, состоит из нескольких секций. Средняя часть представляет собой топливные баки, в хвостовой находится двигательная установка, снаружи — стабилизаторы. Основной материал, из которого изготовлена ракета, — алюминиевый сплав. Форма корпуса — цилиндрическая, с заостренной головной частью. Запуск производится со специального стартового стола.
| Один из проектов ракеты для сообщения Земли с искусственным спугником. Первая ступень 1 ракеты имеет пятьдесят один жидкостный реактивный двигатель 25. Эти двигатели питаются из резервуаров с гидразином 9 и азотной кислотой 8. Топливо подают турбонасосы 11, работающие на перекиси водорода из баллона 19. Вторая ступень ракеты 2 имеет тридцать четыре реактивных двигателя 17, третья ступень 3 пять двигателей 12. Полезный груз размещается в головке ракеты 4, следующей за ней каюте для команды б и камере для багажа 7. Пилот помещается в кабине 5. Для управления в воздухе ракета снабжена рулевым управлением 20 с горизонтальными рулями 22. Третья ступень снабжается предкрылками 10, вертикальными открылками 13, рулем направления 14, элеронами 15 и клапанами 16 для управления при посадке на Землю. Для спуска отработавших ступеней предусмотрены парашюты 21 и 18. Продукты сгорания при взлете ракеты попадают в отверстие 23 и выходят через канал 24. |  |
Старт высотных ракет может производиться не только с пускового стола, но и с металлических вышек. Для осмотра перед стартом и проведения всех необходимых предпусковых операций иногда устраиваются многоярусные ферменные конструкции с подвижными платформами, внутрь которых ставится ракета. В последнее время велись опыты предварительного подъема небольших ракет на аэростатах, чтобы избежать траты топлива на преодоление плотной части атмосферы.
Органами управления при полете служат воздушные и газовые рули, изготовленные из тугоплавкого материала. На одной из ракет для лучшей управляемости в момент полета, когда рули на малой скорости не могут еще эффективно работать, применено дополнительное стабилизирующее устройство, состоящее из укрепленных в хвостовой части - планок, которые затем отделяются. Иногда устраиваются специальные приспособления для борьбы с колебаниями ракеты, которым она подвержена в разреженных воздушных слоях.
Многоступенчатые, работающие на жидком топливе ракеты взлетают на значительно бóльшую высоту, чем ракеты одноступенчатые. Сегодняшние двухступенчатые ракеты уже достигли высоты 480 км. Прогресс ракетной техники обещает дальнейшие достижения в этой области.
Приборное оборудование высотных ракет включает аппаратуру для измерения температуры и давления, напряженности магнитного поля Земли, концентрации заряженных частиц в ионосфере, интенсивности солнечного и космического излучений, приборы для фотографирования спектров и земной поверхности с больших высот, для взятия проб воздуха. Как правило, на таких ракетах устанавливается и телеметрический передатчик для передачи показаний приборов по радио.
Приборы и радиоустройства для высотных ракет имеют малые габариты и вес. Этого удалось добиться, в частности, благодаря применению кристаллических полупроводниковых усилителей вместо электронных ламп, печатных электрических схем и других достижений радиотехники. Сложное радиотелеметрическое оборудование для передачи показаний приборов одновременно по 23 каналам связи, установленное на одной из ракет, весит всего 68 кг и занимает объем небольшого чемоданчика. Дальнейшее совершенствование позволит еще снизить вес этих автоматических устройств.
Радиотелеметрическая система обеспечивает передачу на землю одновременно нескольких показателей: например, на ракете «Аэроби» (США) — от 6 до 14, на переоборудованных «Фау-2» — 23. Можно передавать результаты измерений физических приборов, например счетчика космических частиц, сведения о работе ракетного двигателя и т. д. Коротковолновый передатчик имеет устройства, которые позволяют разделять по частоте передаваемый радиосигнал соответственно поступающим от приборов данным. На наземной станции эти разной частоты колебания принимаются специальным электронным прибором для записи быстро протекающих колебаний. Такая запись ведется на всем протяжении полета. Поскольку скорость ракеты велика, передача должна быть очень частой — несколько сотен раз в секунду.
Так как некоторые приборы не могут работать в разреженном воздухе, часть головного отсека ракеты герметизируется и в нем сохраняется атмосферное давление.
В головной части ракеты помещают и камеру для подопытных животных, когда необходимо изучать их поведение на больших высотах и в необычных условиях полета — при движении с ускорением или свободном падении.
Сложной задачей является сохранение приборов, их записей и фотопленки при спуске с больших высот, в сильно разреженном воздухе, а затем при входе в плотные слои атмосферы. Ведь при быстром движении обшивка ракеты может накалиться до очень высокой температуры. Очевидцы рассказывали, что ракеты «Фау-2», падавшие на Лондон, светились слабым красным светом.
Эта обезьянка — первый космический путешественник — была поднята в кабине ракеты на высоту около 50 км для изучения влияния условий космического полета на живые организмы. Она была одета так, как, по нашим представлениям, будут одеты космические путешественники.
Обычно головная часть ракеты, в которой помещаются приборы, отделяется и опускается на парашюте, часто состоящем из двух парашютов, открывающихся один за другим. Иногда записи и фотопленка сбрасывались в бронированной камере. Приборы, помещенные снаружи ракеты в стальных оболочках, отделялись при взрыве крепежных болтов и опускались на парашюте.
В некоторых конструкциях применяется способ изменения в полете формы головки ракеты с целью нарушения ее хорошей обтекаемости. Это производится по радиосигналу с Земли и влечет за собой резкое увеличение сопротивления воздуха ее полету. Благодаря этому снижение замедляется, обеспечивая благополучное приземление. В ракете «Вероника» (Франция) имеются специальные тормозные диски, которые замедляют снижение отделившейся головки с приборами.
Непосредственное измерение температуры в очень разреженном воздухе ионосферы практически невозможно. Температура воздуха там, определенная по скорости движения молекул, может составлять сотни градусов. Но так как частиц мало, то теплопередача будет ничтожна. Поэтому термометр не покажет истинную температуру.
Приходится итти окольными путями. Скорость звука в воздухе зависит от температуры. Вместо того чтобы измерять температуру, измеряют скорость звука при полете ракеты сквозь разные температурные слои атмосферы. А по скорости вычисляют и температуру воздуха в этих слоях.
Давление воздуха измеряется манометрами,- дающими возможность регистрировать разрежение до тысячных и миллионных долей миллиметра ртутного столба. Эти манометры также не могут осуществлять непосредственных измерений, как обычные анероиды или ртутные манометры. О степени разрежения судят по величине тока, который возникает в приборе при ионизации газа, поступающего сюда из ионосферы.
Для взятия проб воздуха помещают баллоны, из которых откачан воздух. Тонкие соединительные трубки ведут от баллонов к воздухозаборникам на корпусе ракеты. В заранее рассчитанный момент воздуху автоматически открывается доступ в баллон, а затем баллон также автоматически запаивается. По прибытии на Землю пробы воздуха осторожно перекачивают в стеклянные сосуды и исследуют.
Фотографирование солнечного спектра производится специальным прибором — спектрографом, причем наводка на Солнце, открывание и закрывание объектива производятся автоматически.
Для регистрации ударов метеоритов и космической пыли в обшивке ракеты монтировались микрофоны.
Для изучения космических лучей на ракетах устанавливались счетчики. Подобные исследования производились при помощи радиозондов, высота подъема которых ограничивается в среднем приблизительно 30 км. Ракеты со счетчиками поднимались до 160 км. Измерялась, кроме того, концентрация заряженных частиц, идущих от Солнца, и напряженность магнитного поля Земли.
Наблюдая за клубами дыма, выпущенными с борта летящей ракеты, изучали направления и скорости ветра в стратосфере. Дымообразующий прибор включался часовым механизмом, когда ракета взлетала на высоту 30—40 км. Возникало отчетливо видимое облако, которое фотографировалось с Земли. И ранее движение метеорных следов указывало на наличие в стратосфере сильных ветров. Подъем ракет это подтвердил.
Фотоаппараты, которыми производится съемка земной поверхности и облаков, устанавливают в головной или хвостовой части ракеты.
На фотографиях солнечного спектра, полученных с различных высот, видно, что выше слоя озона спектр сильно вытянут в ультрафиолетовой области. Подтвердилось, что интенсивность ультрафиолетовых лучей возрастает с высотой и слой озона действительно является фильтром, защищающим земную поверхность от вредного действия этого излучения. Выяснилось, что Солнце испускает также рентгеновские лучи, которые поглощаются атмосферой. Подобно ультрафиолетовым лучам, они ионизируют газовые частицы и образуют электрически заряженный слой.
С помощью высотных ракет было проверено распределение температуры до высоты свыше 100 км, которое в целом по характеру изменения ее совпало с результатами, полученными другими методами. Численные значения температуры, измеренной приборами при ракетных подъемах, оказались несколько ниже предполагаемых ранее.
Измерялась плотность воздуха до высоты около 200 км. Результаты по данным косвенных методов и подъемов приборов ракетами дали удовлетворительное совпадение.
Ранее думали, что атмосфера полностью перемешана. Ракетные подъемы обнаружили, что на высоте 70 км наблюдается тенденция к разделению газов — преобладанию гелия, водорода, аргона.
Первые наблюдения за метеоритами и космической пылью показали, что плотность пыли больше, чем считали раньше. Отмечен был случай попадания в ракету сравнительно крупного метеорита. Пробовали создавать искусственные метеоры: из головки ракеты на большой высоте выбрасывались и взрывались снаряды. Кусочки металла, подобно метеоритному веществу, врезались в атмосферу. Взрывы отмечались на Земле звукометрическими станциями. С их помощью определяли скорость ветра на больших высотах, скорость звука и вычисляли температуру верхних слоев атмосферы. Но увидеть искусственные метеоры не удалось.
Фотоаппаратами была заснята земная поверхность с высоты примерно 200 км, на снимках отчетливо видна ее кривизна, хорошо заметны детали рельефа и облака. С такой высоты удается сфотографировать на одном кадре пленки огромную площадь — в несколько тысяч квадратных километров.
При подъемах на ракетах животных осуществлялось предварительное изучение биологических условий высотных полетов. Свободно падающие в пустоте тела теряют вес, наступает состояние невесомости. Действие невесомости проверялось на подопытных животных, помещенных в головке ракеты, которая спускалась с очень больших высот практически почти в безвоздушном пространстве. Результаты опытов оказались обнадеживающими. Видимо, непродолжительная потеря веса не вызывает у животных никаких расстройств.
Сейчас трудно еще предвидеть все те огромные возможности, которые откроет применение высотных ракет перед наукой и техникой. Полеты высотных ракет послужат этапом на пути к освоению недоступных ныне областей воздушного океана, а затем к созданию автоматического искусственного спутника Земли — лаборатории для изучения мирового пространства.
Развитие ракетной техники за последние годы приблизило решение проблемы полета во вселенную. Президент Академии наук СССР академик А. Н. Несмеянов в 1953 году говорил, что наука достигла такого состояния, когда реальна посылка стратоплана на Луну, создание искусственного спутника Земли.
Для того чтобы ракета превратилась в спутника Земли, необходимо развить скорость порядка 8 км в сек. Тогда она будет двигаться вокруг нашей планеты, подобно маленькой Луне. Расчеты показывают, что эту «первую космическую» скорость возможно получить с помощью составной, многоступенчатой ракеты, работающей на обычном жидком топливе.
Со спутника, находящегося на достаточной высоте над Землей, удобно вести изучение космического и солнечного излучений, не ослабленных прохождением через воздушную оболочку, проводить наблюдения нашей планеты из мирового пространства, следить, например, за движением облачного покрова, за дрейфом льдов, а также за явлениями, происходящими на границах атмосферы. При соответственно выбранном расположении спутника относительно земной поверхности его можно использовать как радиомаяк для навигации и промежуточную станцию для увеличения дальности телевизионных передач.
Американский ученый профессор Зингер разработал проект автоматического спутника, предназначенного для изучения космических и солнечных лучей, а также аэродинамических исследований. Спутник должен вращаться вокруг нашей планеты по меридиану на расстоянии около 320 км, совершая полный оборот за полтора часа. Этот искусственный спутник представляет собою полый алюминиевый шар диаметром немного более полуметра и весом 45 кг, внутри которого размещаются приборы.
Для зарядки аккумуляторов, питающих приборы, предполагается использовать солнечную энергию. Дважды, когда шар будет проходить над Северным и Южным полюсами, включится его передатчик, и наблюдатели за полминуты прослушают трансляцию магнитной записи показаний приборов, сделанной за полоборота станции вокруг Земли.
Увидеть маленькую искусственную луну, которая мчится в небе со скоростью около 30 тыс. км в час, можно будет только в тех случаях, когда она будет оставлять за собою светящийся на солнце след из паров натрия.
Спутник не останется все время на одной и той же высоте. Трение о воздух постепенно затормозит его скорость, он начнет опускаться и в конце концов, подобно небольшому метеориту, сгорит в плотных слоях атмосферы.
| НА КУРОРТ БУДУЩЕГО Изошутка Ю.Федорова |  |
Уже разработан проект создания и более «весомого» спутника. Для запуска его предполагается применить трехступенчатую ракету. Ракеты-ступени расположены одна внутри другой и третья несет полезный груз — приборы. Вся составная ракета должна весить при старте около 150 т. Это более чем в десять раз превышает вес самой крупной далеко летающей ракеты, применявшейся в период второй мировой войны, — «Фау-2». Старт будет произведен с помощью системы турбореактивных двигателей, какие устанавливаются на современных реактивных самолетах. Это позволит хотя бы на первом этапе полета использовать кислород из воздуха. Стартовые двигатели располагаются в два яруса вокруг нижней части первой ступени ракеты. Предполагаемая высота спутника, заброшенного этой ракетой, от 800 до 1100 км.
На Международном конгрессе астронавтов в Копенгагене, состоявшемся в августе 1955 года, проблеме создания искусственного спутника Земли было уделено большое внимание. Будет разработана и представлена на утверждение ООН программа соответствующих исследований и опытов с участием разных стран мира.
В предстоящем Международном геофизическом году (июль 1957 г.—декабрь 1958 г.) американские ученые предполагают осуществить запуск искусственных спутников.
Один из проектов — спутник-шар — описан в нашей статье. На конгрессе было доложено и о другом проекте — спутника с экипажем, по внешним формам напоминающего самолет и обращающегося вокруг Земли на высоте 150 км.
Председатель Комиссии по межпланетным сообщениям при Академии наук СССР академик Л. И. Седов сообщил в связи с конгрессом: «За последнее время в СССР уделяется большое внимание исследовательским проблемам, связанным с осуществлением межпланетных сообщений, в первую очередь проблемам создания «искусственного спутника Земли». Инженерам, конструкторам и научным работникам, занимающимся и интересующимся ракетной техникой, уже хорошо известна реальность технических проектов искусственных спутников. По моему мнению, в ближайшую пару лет можно запустить искусственный спутник Земли, причем имеется техническая возможность создания искусственных спутников различных размеров и веса... Мне кажется, что настало время, когда можно направить все силы и средства на совместные усилия по созданию искусственного спутника и переключить военный потенциал в технике ракет на мирные и благородные цели развития космических полетов. Я думаю, что такая работа была бы важным вкладом в дело устранения «холодной войны» и послужила бы делу упрочения мира».
День полета первого искусственного спутника близок. Это может произойти и сегодня и завтра.
"Техника-молодежи" 1955 г, №12, с.37
Стройная, вытянутая ракета, разработанная Чикагским университетом, поможет ученым исследовать верхние слои атмосферы, и это обойдется значительно дешевле, чем с помощью применявшихся ранее тяжелых и сложных моделей. Общая высота ракеты составляет 2,44 м, вес — около 100 кг.
Внутри ракеты находится алюминиевый шар с приборами, который ракета должна поднять на высоту около 120 км, а там выбросить. Падая, шар будет сообщать сведения о своей скорости, по которой можно будет рассчитать температуру и плотность воздуха.