Основными конструктивными элементами порохового, как и любого другого ракетного двигателя, являются камера сгорания и сопло (фиг. 16).
Благодаря тому, что подача пороха, как и вообще всякого твердого топлива, в камеру сгорания представляет весьма трудную задачу, в пороховых РД весь запас топлива (пороха) размещается в камере сгорания и затем постепенно сгорает. Таким образом, объем камеры сгорания порохового РД определяется количествам размещаемого в ней пороха. По этой причине количество пороха в двигателе не может быть очень большим и пороховой РД обычно работает только несколько секунд (а иногда даже доли секунды).
Порох принадлежит к так называемым метательным взрывчатым веществам, которые в отличие от бризантных взрывчатых веществ не производят дробящего действия при своем разложении. Это объясняется значительно более медленным течением реакции разложения метательных ВВ. Тем не менее скорость горения пороха в стволах артиллерийских орудий весьма значительна. Если бы порох, размещенный в ракетной камере, горел с такой же скоростью, то давление пороховых газов было столь велико, что несомненно разорвало камеру, прочность которой неизмеримо меньше прочности артиллерийских стволов.
Если произойдет такой разрыв камеры, то ракета, конечно, никуда не полетит. С другой стороны, если порох будет гореть очень медленно, то секундный расход газов, а следовательно и тяга, будут малы. Поэтому должны быть приняты специальные меры, обеспечивающие нужную скорость горения пороха в камере сгорания РД. Эти меры в основном сводятся к определенной технологии изготовления пороха для ракетных двигателей.
Как известно, порох был изобретен в XIV веке. Этот порох, так называемый черный, представлял собой смесь селитры, серы и угля и в таком виде применялся в течение более 500 лет. Около 100 лет тому назад был изобретен так называемый бездымный порох, который имеет ряд преимуществ перед черным — он, как показывает его название, не образует дыма и, что очень важно, выделяет больше тепла при сгорании, что в случае ракетного двигателя обеспечивает большую скорость истечения и потому большую тягу. К числу бездымных порохов относятся пироксилиновый, нитроглицериновый и другие пороха. Они отличаются от черного пороха тем, что представляют собой уже не смесь, а однородные химические соединения, которые при реакции горения разлагаются, выделяя значительное количество тепла и образовывая много пороховых газов. В ракетных двигателях в настоящее время обычно применяются различные сорта бездымного пороха. Черный порох иногда применяется в простейших ракетах — фейерверочных и других.
Фиг. 16. Схема порохового ракетного двигателя.
Химическая реакция разложения взрывчатых веществ протекает чрезвычайно быстро. При вспышке взрывчатое вещество разлагается за тысячные и даже десятитысячные доли секунды, скорость детонационной волны достигает тысяч метров в секунду. Но если горение распространяется по заряду с небольшой скоростью, то реакция разложения протекает несравненно медленнее.
Если мы, например, изготовим из бездымного пороха плотный стержень и на открытом воздухе подожжем его с одного конца, то такая пороховая «свечка» будет постепенно сгорать ее скоростью около 1 мм/сек. Правда, для этой цели нужно будет тщательно проследить за тем, чтобы пламя не перебросилось вдоль по стержню по его наружной поверхности, для чего эту поверхность нужно плотно покрыть каким-нибудь изолирующим материалом.
Если мы теперь изготовим из пороха шар и подожжем его с поверхности, то время горения шара, очевидно, будет тем больше, чем больше сам шар. Если наш шар, например, будет иметь радиус 6 см, то он сгорит приблизительно за 1 минуту (вспомните свечку); если же радиус шара будет равен 12 см, то горение пороха будет длиться уже 2 минуты и так далее.
Чем меньше будут пороховые зерна, тем быстрее сгорит порох, так что тонкая пороховая пыль сгорит почти мгновенно, произойдет вспышка, так как химическая реакция будет протекать сразу по огромной суммарной поверхности мельчайших частиц. Следует отметить, что даже сравнительно медленно горящие вещества при сильном размельчении ведут себя так же (взрывается угольная пыль, мука и т. д.). Поэтому время сгорания пороха можно изменять, подбирая размер пороховых зерен. Пистолетный и ружейный порох делается очень мелким, так как в этом случае сгорание должно быть почти мгновенным; артиллерийский порох состоит обычно из довольно больших кусков (с кулак) шарообразной или цилиндрической формы, так как сгорание его должно длиться несколько сотых долей секунды, пока снаряд движется по стволу орудия (фиг. 17).
Судя по вышесказанному можно предположить, что зерна пороха для ракетных двигателей должны быть очень крупными. Первое время, однако, порох для ракет изготовлялся из мельчайших частиц (пороховая мука), но только плотно спрессованных. При таком прессовании внутри порохового заряда сохраняются небольшие воздушные каналы, по которым распространяется горение. Вследствие этого время сгорания получалось гораздо меньшим, чем при сплошном стержне, так как поверхность горения получалась большей. Вместе с тем, вспышки не получалось, если только порох был спрессован достаточно плотно; в противном случае воздушные каналы в заряде оказывались сообщенными между собой и горение мгновенно распространялось по всей массе заряда. При такой технологии изготовления порохового заряда часто применялась так называемая набивка с пролетным пространством, т. е. с выемкой внутри заряда. В этом случае горение распространяется вглубь заряда по всей поверхности пролетного пространства, вследствие чего время сгорания уменьшается. Кроме того, придавая различную форму пролетному пространству, можно до некоторой степени изменять продолжительность сгорания и, следовательно, тягу двигателя по времени.
Фиг. 17. Горение и детонация.
В последнее время сплошная набивка порохом почти не применяется и используется лишь для простейших ракет. Дело в том, что набивные заряды из черного пороха очень чувствительны к атмосферным условиям, в особенности к температуре окружающего воздуха. На холоде или от тряски заряд может растрескаться и, кроме того, между стенкой камеры сгорания и зарядом может образоваться зазор. Все это приводит к резкому уменьшению времени сгорания пороха и вследствие этого к разрыву ракеты. Поэтому в настоящее время пороховой заряд обычно составляется из одной или нескольких шашек в виде полых цилиндров (фиг. 18), а иногда из нескольких сплошных шашек с изолированной каким-либо покрытием наружной поверхностью (такие шашки горят только с торца). Горение полых цилиндрических шашек происходит как по наружной, так и по внутренней поверхности, так что уменьшение наружной поверхности по мере выгорания пороха компенсируется увеличением поверхности горения изнутри трубки. Вследствие этого общая поверхность горения, а потому давление в камере сгорания и тяга двигателя остаются почти постоянными. Иногда для этой цели применяется так называемый профильный порох, как, например, показанный внизу на фиг. 18 (применяются и более сложные формы сечения пороховых трубок), е котором выгорание пороха с торцов компенсируется увеличивающейся поверхностью горения изнутри каналов в порохе.
Следует особенно подчеркнуть, что приготовление порохового заряда даже для простейших ракет является весьма сложным и опасным процессом и никоим образом не должно производиться неопытными людьми.
Фиг. 18. Продолжительность сгорания пороха, а следовательно, и давление в камере, зависят от формы зерен (шашек) пороха.
Воспламенение пороха осуществляется обычно с помощью электричества (фиг. 19); в начале поджигается специальный воспламенитель (чаще всего из черного пороха), от которого уже воспламеняется основной заряд. В результате горения пороха в камере сгорания образуются пороховые газы, имеющие большое давление и высокую температуру. В состав этих газов входят углекислота, угарный газ, водород, азот, пары воды и др.
Фиг. 19. Схема электрического запала пороха при запуске ракетного снаряда.
Температура пороховых газов в камере сгорания достигает 2000–2500 °C; она зависит, главным образом, от теплотворной способности пороха, т. е. от количества тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг пороха[7].
Это количество тепла для современных ракетных порохов колеблется от 800 до 900 кал/кг. Следует заметить, что калорийность основной составной части бездымного пороха — нитроклетчатки — выше. Однако необходимость превращения последней в однородную желатинированную пороховую массу заставляет применять растворители, которые снижают калорийность пороха до указанного выше значения.
Теплотворную способность ракетных порохов и вместе с нею скорость истечения и тягу пороховых РД можно было бы повысить, если бы удалось подыскать такие растворители, которые устраняли бы взрывоопасность пороха и вместе с тем были сами достаточно калорийными. Жидкие топлива, применяющиеся в жидкостно-реактивных двигателях, обладают большей калорийностью, чем порох (примерно 1500–2000 кал/кг ).
Давление пороховых газов в камере сгорания зависит от размеров проходного сечения сопла, точнее, от соотношения между поверхностью горения пороха и площадью этого сечения. Если бы сопло, через которое образующиеся пороховые газы вытекают в атмосферу, вообще отсутствовало, то давление в камере сгорания было бы очень высоким и достигало тысяч и даже десятков тысяч атмосфер.
В пороховых ракетных двигателях давление газов, конечно, гораздо меньше, так как образующиеся газы вытекают через сопло. Обычно это давление колеблется в пределах от 50 до 200 ата. Чем меньше площадь проходного сечения сопла, тем, при прочих равных условиях, это давление больше. При переходе к конструкции двигателя с повышенным давлением растет скорость истечения и тяга двигателя, но зато приходится делать более толстыми стенки камеры сгорания. Сравнительно небольшое давление по сравнению с давлениями в стволе артиллерийского орудия позволяет делать эти стенки тонкими; так, например, стенки камеры ракетного снаряда калибра 80-100 мм имеют толщину всего несколько миллиметров.
Скорость истечения газов в пороховом РД колеблется от 1500 до 2000 м/сек, в зависимости от применяемого пороха и конструкции сопла двигателя. В простейших пороховых двигателях, например фейерверочных ракетах, это сопло представляет собой простое отверстие в нижней крышке ракеты. В более совершенных двигателях внутреннее сечение сопла представляет собой канал, сначала сужающийся, а затем снова расширяющийся. Такой канал носит название сопла Лаваля и позволяет получать значительно большие скорости истечения[8].
Продолжительность работы порохового РД, вообще ограниченная количеством пороха, которое можно разместить в камере сгорания, зависит также от избранной скорости горения пороха. То же количество пороха можно сжечь за малое время, вследствие чего тяга будет большой, или же увеличить это время, так что тяга станет меньшей. Общее действие двигателя (или общий импульс), представляющее собой произведение тяги на время ее действия, останется при этом практически почти неизменным. Так, например, для одного и того же двигателя можно получить тягу 30 кг в течение 50 секунд или тягу 500 кг в течение 3 секунд; общий импульс в обоих случаях равен 1500 кг сек. Известна конструкция порохового РД, общий импульс которого достигает 45 000-50 000 кг сек; вес ракеты при этом равняется 1,5 тонны.
Применяемые пороховые ракетные двигатели имеют сравнительно небольшие размеры благодаря особенностям этого двигателя. В тех случаях, когда требуется увеличенная тяга, устанавливается несколько двигателей.
Простейшим и наиболее старым пороховым двигателем является фейерверочная ракета. Гильза ракеты (корпус) обычно делается из картона. В более мощных пороховых двигателях гильза изготовляется из латуни, стали или легких сплавов.
Аналогично устроена и градорассеивающая ракета, которая забрасывается с помощью порохового РД на высоту около 1 км, где происходит взрыв специального заряда взрывчатого вещества, находящегося в головке ракеты (фиг. 20). В ряде случаев с помощью таких ракет удавалось предотвратить выпадение града — град заменялся снегом или дождем, что объясняется интенсивным перемешиванием воздуха при взрыве ракеты.
Примерно такую же конструкцию имеют различные сигнальные ракеты, спасательные и другие. Основное отличие этих ракет заключается в том, как снаряжена их головка (несет ли она в себе светящийся состав, парашют и т. д.); двигатели же всех ракет весьма схожи между собой.
Устойчивость ракеты в полете достигается либо установкой специального стабилизатора, либо путем придания ракетному снаряду интенсивного вращения около его продольной оси. В боевых ракетах Константинова стабилизатор представлял собой деревянный стержень, прикрепленный к хвостовой части ракеты и далеко выступавший за ее задний обрез. В современных ракетных снарядах стабилизатор выполняется в виде стальных пластин, составляющих хвостовое оперение ракеты. Иногда устраивают косопоставленное (или спиральное) оперение, благодаря которому ракетный снаряд при полете в воздухе оказывается не только устойчивым, но и приобретает вращение около своей продольной оси, что улучшает кучность боя. Схема снаряда со спиральным оперением изображена на фиг. 21.
Второй способ обеспечения устойчивости ракетного снаряда, именно придание ему интенсивного вращения, как у артиллерийского снаряда, выпускаемого из нарезного орудия, достигается путем замены одного сопла коллектором сопел, расположенных под углом к оси снаряда. Благодаря такому устройству газовая струя, а следовательно и реактивная сила, направлены не только по оси снаряда, но и по касательной к нему, в результате чего снаряд приобретает быстрое вращение. Схема такого снаряда изображена на фиг. 22.
Фиг. 20. Градорассеивающая ракета.
Фиг. 21. Ракета с винтовым стабилизатором.
Фиг. 22. Ракета, вращающаяся под действием выходящих пороховых газов.
На фиг. 23 показано ракетное орудие, снятое в момент выстрела. На снимке видно несколько смонтированных на одной установке легких устройств ферменного типа для запуска ракетных снарядов.
Устройство авиационного ракетного снаряда показано на фиг. 24.
Стартовые пороховые ракетные двигатели, служащие для облегчения взлета самолетов, имеют продолжительность работы 4-10 секунд. В качестве примера приведем данные одного такого двигателя: заряд бездымного пороха — 12 кг, общий вес ракеты — 30 кг, тяга — 500 кг в течение 4 секунд. Обычно применяется батарея из нескольких таких ракет, например, от четырех до шести, так что общая тяга при этом получается равной 2000–3000 кг.
Фиг. 23. Ракетное орудие ведет огонь.
Фиг. 24. Устройство авиационного ракетного снаряда.
В заключение укажем, что были созданы пороховые ракетные двигатели и весьма внушительных размеров с тягой свыше 50 тонн. Однако эти двигатели были рассчитаны на очень кратковременное действие (меньше секунды).
