Главная страница >  Цитатник 

1.1. ПРЕДЫСТОРИЯ ВОПРОСА

1. ПРЕДЫСТОРИЯ ВОПРОСА

Глава I. ПЕРВЫЕ ИДЕИ ПО ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЕ ЖРД (до конца 20-х гг. XX в.)

Становление теплопередачи как самостоятельного научного направления произошло только в XIX в., когда французские исследователи Ж.Б. Фурье (в 1828 г.) и С.Д. Пуассон (в 1835 г.) создали основы математической теории теплопроводности, И. Стефан (в 1872 г.) открыл экспериментально, а Л. Больцман вывел теоретически, исходя из второго закона термодинамики, закон теплового излучения [1, с. 5].

Еще с доисторических времен человечество знакомо с огнем, но, тем не менее, до сих пор оно не сумело в полной мере раскрыть его тайны — изучить «механизм» и особенности процесса горения. Тепло передается от нагретой части тела к холодной, тепло греет на расстоянии, больше тепла, меньше тепла — вот, собственно, и все представления о теплопередаче, существовавшие вплоть до XVIII в. В 1701 г. в учении о тепле, развивавшемся до этого лишь в рамках общефилософских рассуждений, произошло весьма важное событие — И. Ньютон провел первые экспериментальные исследования по конвективной теплоотдаче. В настоящее время ряд авторов считают (см., например, [2, с. 2201], что результатом этих исследований стал широко известный закон, носящий имя Ньютона и устанавливающий зависимость величины конвективного теплового потока от коэффициента теплоотдачи, площади теплоотдающей поверхности и перепада температур. Однако выводы ученого были всего лишь первым и еще очень небольшим шагом на пути к этому закону. Наблюдая за охлаждением на воздухе железа, он пришел пока еще к достаточно простому заключению о том, что «… количество тепла, которое нагретое железо сообщает в данное время смежным с ним холодным телам, т.е. которое железо утрачивает в продолжение заданного времени, пропорционально температуре железа …» . Опыты Ньютона, указавшие, по существу, на единственно возможный в то время и весьма перспективный путь изучения тепловых процессов на основе научного эксперимента, длительное время не получала своего дальнейшего развития и не стали свидетельством ни того, что учение о тепле поднялось на новую качественную ступень, ни того, что появилось новое научное направление — теплопередача. Несмотря на систематические работы в области теплоты, проводившиеся в XVIII в. (особенно во второй его половине), когда появились фундаментальные работы М.В. Ломоносова, Г.В. Рихмана и других ученых, даже паровая машина была создана в условиях крайне ограниченных знаний о тепловых процессах. Свидетельством этого может служить отчасти тот факт, что второй закон термодинамики был сформулирован Сади Карно на 40 лет позже появления машины Уатта .

В 1849 г. он предложил проект двигателя, в камеру сгорания которого через равные промежутки времени должен был подаваться порох. Исследователь отчетливо сознавал, что от частого взрывания пороховой смеси стенки камеры могут нагреться до очень высоких температур и в результате разрушиться. Для избежания этого он считал необходимым разместить камеру в баке с водой или нашатырным спиртом. Он предложил по мере нагрева хладагента сливать его в какой-либо сосуд (рис. 1), охлаждаемый за счет передачи тепла в атмосферу, и вновь (через промежуточный резервуар) направлять в бак, окружающий камеру [50, с. 70].

Дальнейшее развитие этой области науки протекало под влиянием потребностей в проектировании различных промышленных установок (паровых машин, пламенных печей и т.д.). Существовавшие, по крайней мере, еще с XIII в. (в Китае и некоторых других восточных странах) ракеты на твердом топливе по ряду чисто технических причин не требовали каких-либо специальных мер по их охлаждению. Только с началом разработок первых проектов реактивных летательных аппаратов исследователи начинают все чаще задумываться о способах предохранения двигателей этих аппаратов от действия высоких температур. По-видимому, первым, кто предусмотрел в проекте реактивного двигателя систему охлаждения, был русский изобретатель И.И. Третеский.

1 — камера сгорания; 2 — цилиндрические углубления, заполненные порохом; 3 — отверстие подачи пороха в камеру; 4 — ящик с охлаждающей жидкостью [промежуточный резервуар и другие элементы системы охлаждения на схеме не показаны]; 5 — сосуд с запасом пороха" Рис. Схема двигателя И.И. Третеского 1 — камера сгорания; 2 — цилиндрические углубления, заполненные порохом; 3 — отверстие подачи пороха в камеру; 4 — ящик с охлаждающей жидкостью [промежуточный резервуар и другие элементы системы охлаждения на схеме не показаны]; 5 — сосуд с запасом пороха

Идею охлаждения реактивного двигателя можно увидеть также и в патенте на реактивный самолет русского инженера Н.А. Телешова, полученном им 19.X.1867 г. При работе этого двигателя (рис. 2) горючее должно было из баков поступать в рубашку (зарубашечное пространство), расположенную вокруг цилиндрической камеры сгорания. За счет получаемого от камеры тепла оно в рубашке нагревалось и испарялось. При достижении определенного давления пары горючего, смешиваясь предварительно с атмосферным воздухом, направлялись в камеру, где с помощью электросвечи воспламенялись и сгорали. Продукты сгорания, истекая из сопла, создавали реактивную тягу, а зарубашечное пространство вновь заполнялось горючим, и цикл повторялся [52, с. 100]. Конечно, горючее, нагреваясь от камеры, одновременно и охлаждало ее, но рубашка была предусмотрена Телешовым с целью подготовки горючей смеси, и он в своем патенте вообще не упоминает о дополнительном полезном эффекте — охлаждении двигателя. До сих пор остается неясным ответ на вопрос о том, видел ли сам исследователь необходимость охлаждения камеры, задумывался ли он вообще о проблеме охлаждения. Тем не менее, последователи Телешова в схеме его двигателя могли увидеть и метод охлаждения его камеры — емкостное регенеративное охлаждение. Идеи по охлаждению ракетных двигателей на твердом топливе содержатся в дошедших до нашего времени рукописях С.С. Неждановского, 18.V.1882 г. в одной из тетрадей написавшего следующее: «Нужно позаботиться о том, чтобы трубка, , не нагревалась насколько, чтобы воспламенить очень быстро всю мякоть; средствами для этого могут служить: 1) малая теплопроводность трубки, 2) охлаждение или воздухом, идущим в инжектор» [54, л. 13].

С именем С.С. Неждановского связаны и первые у нас в стране идеи по жидкостным ракетным двигателям. В 1880 г. он предложил создать ракету, приводимую в движение двигателем, работающим на азотной кислоте и керосине, которые должны были нагнетаться в камеру по двум трубкам соответственно, смешиваться в ней и сгорать, создавая при этом струю продуктов сгорания, «увлекающую воздух в раструб, действующий реакцией» [55, л. 145].

1 — резервуар с горючим; 2 — камера сгорания; 3 — входной клапан; 4 — заднее днище с отверстием для выхода газов [сопло]; 5, 6 — краны; 7 — зарубашечное пространство; 8— магистраль подачи горючего" Рис. Схема двигателя Н.А. Телешова 1 — резервуар с горючим; 2 — камера сгорания; 3 — входной клапан; 4 — заднее днище с отверстием для выхода газов [сопло]; 5, 6 — краны; 7 — зарубашечное пространство; 8— магистраль подачи горючего

С.С. Неждановский, кроме того, предлагал для решения проблемы охлаждения искусственно снижать температуру горения путем впрыскивания в камеру сгорания посторонней жидкости, снижающей калорийность топлива. В качестве такой жидкости он предлагал использовать воду или, для некоторых топлив, древесный спирт [55, л. 221, 229]. Некоторые части двигателя, подверженные действию высоких температур, он предлагал изготавливать из платины или другого огнеупорного материала [55, л. 230].

Исследователь предложил делать камеру с двойными стенками, между которыми для их охлаждения пропускать топливо и воздух [55, л. 221]. Другими словами, он впервые указал на целесообразность охлаждения ЖРД самим топливом, хотя и в сочетании с воздухом. К сожалению, в его рукописях нет четкого утверждения о том, что топливо и воздух после прохождения рубашки должны направляться в камеру. Следовательно, нельзя однозначно утверждать, что исследователь предложил метод регенеративного охлаждения, хотя нет сомнений в том, что в его работе содержится идея проточного охлаждения.

До сих пор историки техники спорят относительно достоверности факта, описанного в перуанской газете «Эль комерцио» от 7.IX.1927 г. В ней сообщалось о том, что П. Полет в 1895 г. создал первый в мире жидкостный ракетный двигатель и даже испытал его (см., например, [11, 281]). Однако это сообщение не было подтверждено какими-либо «вещественными доказательствами», что не позволяет исследователям, в конечном счете, отдать Полету приоритет в создании первого ЖРД. Вместе с тем из сообщения, приведенного газетой, можно составить представление об идеях Полета в области ЖРД.

Следует отметить, что, кроме С.С. Неждановского, в конце XIX в. идею о жидкостном ракетном двигателе высказал также испанский изобретатель Ариас, разработавший проект такого двигателя и в 1872 г. сделавший соответствующее сообщение в печати. Однако Ариас ничего не писал о методах решения проблемы охлаждения, по-видимому, недооценив ее значение.

Из описания его двигателя (рис. 3), в частности, следует, что этот ЖРД имел массивные стенки, был неохлаждаемым и сохранение его материальной части могло осуществляться лишь за счет аккумулирования стенкой тепла.

1 — камера сгорания; 2 — подача горючего; 3 — подача окислителя; 4 — зажигание" Рис. Схема двигателя П. Полета 1 — камера сгорания; 2 — подача горючего; 3 — подача окислителя; 4 — зажигание

Во времена И. Ньютона еще не проводилось различие между понятиями «тепло» и «температура» и приведенная цитата дословно имела следующий вид: «… теплота, которую нагретое железо сообщает в заданное время смежным с ним холодным телам, т.е. теплота, которую железо утрачивает в продолжение заданного времени, пропорциональна всей теплоте железа …» (57, с. 524). Результаты исследований Ньютона были опубликованы им под названием «Scala gradunm caloris et frigors» в выпуске Королевского общества «Philosophical Transactions» (93). Эта статья была переведена и проанализирована академиком А.Н.Крыловым (57). С. Карно опубликовал свою известную работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 г. Тут речь идет о пороховой ракете. Неждановский слово «водой» зачеркнул.

Все рассмотренные в настоящем разделе идеи не получили в свое время широкого распространения, стали известны лишь сравнительно недавно, и не оказали практически никакого влияния на развитие жидкостных ракетных двигателей. Поэтому началом работ по решению проблемы охлаждения этих двигателей следует считать 1903 г., т.е. время появления статьи К.Э. Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами».





Далее:
Космонавт как оператор в системе человек-космические корабль.
ПРОЕКТ КОРАБЛЯ-АЭРОПЛАНА.
НАКАНУНЕ.
ПРОВЕРЯЕТ ТЕХНИКА....
Введение.
ВОЛКОВ Владислав Николаевич.
КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА БЛИЖАЙШЕГО БУДУЩЕГО.
Немного истории.
НИИ В КОСМОСЕ.


Главная страница >  Цитатник