20-asrning buyuk texnik va ilmiy yutuqlari orasida birinchi o'rinlardan biri, shubhasiz, raketalar va reaktiv harakat nazariyasiga tegishli

Translated from Russian to Uzbek - www.onlinedoctranslator.com

20-asrning buyuk texnik va ilmiy yutuqlari orasida birinchi o'rinlardan biri, shubhasiz, raketalar va reaktiv harakat nazariyasiga tegishli. Ikkinchi Jahon urushi yillari (1941-1945) reaktiv transport vositalari dizaynining g'ayrioddiy tez yaxshilanishiga olib keldi. Jang maydonlarida poroxli raketalar yana paydo bo'ldi, lekin allaqachon yuqori kaloriyali tutunsiz TNT - piroksilin poroxida ("Katyusha"). Havo-reaktiv dvigatelli samolyotlar, impulsli havo-reaktiv dvigatelli uchuvchisiz samolyotlar (V-1) va 300 kmgacha (V-2) ballistik raketalar yaratildi.

Raketa texnologiyasi hozirda sanoatning juda muhim va tez rivojlanayotgan tarmog'iga aylanmoqda. Reaktiv transport vositalarining parvozi nazariyasini ishlab chiqish zamonaviy ilmiy-texnika taraqqiyotining dolzarb muammolaridan biridir.
Kimga . E. Tsiolkovskiy raketa harakati nazariyasi asoslarini tushunish uchun juda ko'p ish qildi. U fan tarixida birinchi bo‘lib raketalarning to‘g‘ri chiziqli harakatlarini nazariy mexanika qonunlari asosida o‘rganish muammosini ishlab chiqdi va tadqiq qildi.
Eng oddiy suyuq yonilg'i bilan ishlaydigan reaktiv dvigatel (3-rasm) qishloq aholisi sutni saqlaydigan qozonga o'xshash kameradir. Ushbu qozonning pastki qismida joylashgan nozullar orqali yonish kamerasiga suyuq yoqilg'i va oksidlovchi etkazib beriladi. Yoqilg'i komponentlarini etkazib berish to'liq yonishni ta'minlaydigan tarzda hisoblanadi. Yonish kamerasida (3-rasm) yoqilg'i yoqiladi va yonish mahsulotlari - issiq gazlar maxsus profilli nozul orqali yuqori tezlikda chiqariladi. Oksidlovchi va yoqilg'i raketa yoki samolyotda joylashgan maxsus tanklarga joylashtiriladi. Yonish kamerasiga oksidlovchi va yoqilg'ini etkazib berish uchun turbopomplar ishlatiladi yoki ular siqilgan neytral gaz (masalan, azot) bilan siqib chiqariladi. Shaklda. 4-rasmda nemis V-2 raketasining reaktiv dvigatelining fotosurati ko'rsatilgan.
Reaktiv dvigatelning nozulidan chiqarilgan issiq gazlar oqimi raketada reaktiv zarrachalarning tezligiga teskari yo'nalishda ta'sir qiluvchi reaktiv kuch hosil qiladi. Reaktiv kuchning kattaligi nisbiy tezlik bilan bir soniyada tashlangan gazlar massasining mahsulotiga teng. Agar tezlik sekundiga metrda o'lchanadigan bo'lsa va ikkinchi oqimning massasi zarrachalarning vazni kilogrammdagi tezlashuvga bo'linadi. gravitatsiya loylari , keyin reaktiv kuch kilogrammda olinadi. Misol uchun, har soniyada 4,9 kg yoqilg'i yonadigan reaktiv dvigatelni olaylik. Chiqib ketgan zarralarning (yonish mahsulotlari) nisbiy tezligi bo'lsin , keyin biz bilan belgilagan reaktiv kuch ,ga teng bo'ladi

Nemis V-2 raketasining o'rtacha og'irligi sekundiga 127,4 kg ni tashkil qiladi. Dvigatel nozulidan yonish mahsulotlarining chiqish tezligi 2000 m / s ni tashkil qiladi. Bu holda reaktiv kuch teng

Yuqoridagi misollar shuni ko'rsatadiki, reaktiv kuch qancha ko'p bo'lsa, ikkinchi yoqilg'i sarfi va zarrachalarni chiqarishning nisbiy tezligi shunchalik katta bo'ladi.
Ba'zi hollarda reaktiv dvigatel kamerasida yoqilg'ini yoqish uchun atmosferadan havo olish kerak. Keyinchalik, reaktiv apparatning harakati paytida havo zarralari biriktiriladi va qizdirilgan gazlar chiqariladi. Biz havo reaktiv dvigatel deb ataladigan vositani olamiz. Havo reaktiv dvigatelining eng oddiy namunasi oddiy trubka bo'lishi mumkin, uning ikkala uchi ochiq, uning ichiga fan o'rnatilgan. Agar siz fanni ishlasangiz, u trubaning bir uchidan havo so'rib, ikkinchi uchi orqali tashqariga uloqtiradi. Agar benzin trubkaga, ventilyator orqasidagi bo'shliqqa yuborilsa va olov yoqilsa, trubkadan chiqib ketayotgan issiq gazlarning tezligi kiruvchiga qaraganda ancha katta bo'ladi va trubka teskari yo'nalishda surish oladi. undan chiqadigan gazlar oqimi. chiqarilgan gazlar. Fanni aylantirish uchun dvigatelni o'zingiz bilan olib ketmaslik uchun siz trubkadan oqib o'tadigan gazlar oqimini kerakli aylanishlar soni bilan aylantira olasiz. Ba'zi qiyinchiliklar faqat bunday dvigatelni ishga tushirganda paydo bo'ladi. Havo reaktiv dvigatelining eng oddiy sxemasi 1887 yilda rus muhandisi Geshvend tomonidan taklif qilingan. Zamonaviy turdagi samolyotlar uchun havo reaktiv dvigatelidan foydalanish g'oyasi K. E. Tsiolkovskiy tomonidan juda ehtiyotkorlik bilan mustaqil ravishda ishlab chiqilgan. U havo reaktiv dvigatelli va turbo-kompressorli pervaneli dvigatelli samolyot uchun dunyodagi birinchi hisob-kitoblarni berdi. Shaklda. 5 - ramjet dvigatelining diagrammasi, unda havo zarralarining quvur o'qi bo'ylab harakati raketa tomonidan boshqa har qanday dvigateldan olingan dastlabki tezlik tufayli hosil bo'ladi;
Havo reaktiv dvigatelining harakat energiyasi xuddi oddiy raketada bo'lgani kabi yoqilg'ini yoqish orqali olinadi. Shunday qilib, har qanday reaktiv apparatning harakat manbai bu apparatda saqlanadigan energiya bo'lib, u yuqori tezlikda apparatdan chiqarilgan materiya zarralarining mexanik harakatiga aylantirilishi mumkin. Bunday zarrachalarning apparatdan chiqarilishi paydo bo'lishi bilanoq, u otilayotgan zarrachalar oqimiga qarama-qarshi yo'nalishda harakatni oladi.
Chiqarilgan zarrachalarning to'g'ri yo'naltirilgan oqimi barcha reaktiv transport vositalarining dizaynida asosiy narsadir. Otilayotgan zarrachalarning kuchli oqimlarini olish usullari juda xilma-xildir. Chiqarilgan zarrachalar oqimini eng sodda va tejamkor usulda olish muammosi, bunday oqimlarni tartibga solish usullarini ishlab chiqish ixtirochi va konstruktorlarning muhim vazifasi hisoblanadi.
Agar biz eng oddiy raketaning harakatini hisobga olsak, uning og'irligi o'zgarishini tushunish oson, chunki raketa massasining bir qismi vaqt o'tishi bilan yonib ketadi va tashlanadi. Raketa o'zgaruvchan massali jismdir. Oʻzgaruvchan massali jismlar harakati nazariyasi 19-asr oxirida Rossiyada I. V. Meshcherskiy va K. E. Tsiolkovskiylar tomonidan yaratilgan.
Meshcherskiy va Tsiolkovskiyning ajoyib asarlari bir-birini mukammal ravishda to'ldiradi. Tsiolkovskiyning raketalarning toʻgʻri chiziqli harakatlarini oʻrganishi butunlay yangi muammolarni qoʻyib, oʻzgaruvchan massali jismlar harakati nazariyasini sezilarli darajada boyitdi. Afsuski, Meshcherskiyning ishi Tsiolkovskiyga ma'lum emas edi va bir qator hollarda u o'z ishida Meshcherskiyning oldingi natijalarini takrorladi.
Reaktiv transport vositalarining harakatini o'rganish katta qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi, chunki harakat paytida har qanday reaktiv transport vositasining og'irligi sezilarli darajada o'zgaradi. Hozirda raketalar mavjud bo'lib, ularda dvigatelning ishlashi paytida og'irlik 8-10 baravar kamayadi. Harakat jarayonida raketa og'irligining o'zgarishi klassik mexanikada olingan formulalar va xulosalardan to'g'ridan-to'g'ri foydalanishga imkon bermaydi, bu harakat paytida og'irligi doimiy bo'lgan jismlarning harakatini hisoblash uchun nazariy asosdir.
Ma'lumki, o'zgaruvchan og'irlikdagi jismlarning harakati bilan shug'ullanish kerak bo'lgan texnologiya vazifalarida (masalan, yoqilg'ining katta zaxirasiga ega samolyotlarda) har doim harakat traektoriyasini quyidagilarga bo'lish mumkin deb taxmin qilingan. bo'limlar va harakatlanuvchi jismning og'irligi har bir alohida bo'limda doimiy deb hisoblanishi mumkin. Shunday qilib, o'zgaruvchan massali jismning harakatini o'rganishning qiyin muammosi o'zgarmas massali jism harakatining oddiyroq va allaqachon o'rganilgan muammosi bilan almashtirildi. Raketalarning harakatini o'zgaruvchan massa jismlari sifatida o'rganish K. E. Tsiolkovskiy tomonidan qat'iy ilmiy asosga kiritilgan. Endi biz raketa parvozi nazariyasini raketa dinamikasi deb ataymiz. Tsiolkovskiy zamonaviy raketa dinamikasining asoschisi. K. E. Tsiolkovskiyning raketa dinamikasi bo'yicha nashr etilgan asarlari insoniyat bilimining ushbu yangi sohasida uning g'oyalarini izchil rivojlanishini aniqlashga imkon beradi. O'zgaruvchan massali jismlarning harakatini tartibga soluvchi asosiy qonunlar qanday? Jetning parvoz tezligini qanday hisoblash mumkin? Vertikal otilgan raketaning balandligini qanday topish mumkin? Reaktiv qurilmada atmosferadan qanday chiqish kerak - atmosferaning "qobig'ini" yorib o'tish uchunmi? Yerning tortishish kuchini qanday engish - tortishishning "qobig'ini" yorib o'tish uchun? Tsiolkovskiy tomonidan ko'rib chiqilgan va hal qilingan ba'zi masalalar.
Bizning nuqtai nazarimizdan, Tsiolkovskiyning raketalar nazariyasidagi eng qimmatli g'oyasi Nyutonning klassik mexanikasiga yangi bo'lim - o'zgaruvchan massa jismlari mexanikasining qo'shilishidir. Hodisalarning yangi katta guruhini inson ongiga bo'ysundirish, ko'pchilik ko'rgan, lekin tushunmagan narsalarni tushuntirish, insoniyatga texnik o'zgarishlar uchun kuchli yangi vosita berish - bular yorqin Tsiolkovskiy o'z oldiga qo'ygan vazifalardir. Tadqiqotchining barcha iste'dodi, o'ziga xosligi, ijodiy o'ziga xosligi va fantaziyaning o'ziga xos kuch va mahsuldorlik bilan g'ayrioddiy parvozi uning reaktiv harakatga oid ishida namoyon bo'ldi. U o'nlab yillar davomida reaktiv transport vositalarining rivojlanishini bashorat qilgan. U oddiy salyut raketasi duch kelishi kerak bo'lgan o'zgarishlarni ko'rib chiqdi,
Tsiolkovskiy o'zining asarlaridan birida (1911) odamlarga juda uzoq vaqtdan beri ma'lum bo'lgan raketalarning eng oddiy qo'llanilishi haqida chuqur fikr bildirdi. “Biz odatda er yuzida bunday ayanchli reaktiv hodisalarni kuzatamiz. Shuning uchun ham ular hech kimni orzu qilishga va izlanishga unday olmadilar. Bu hodisalarning ulug'vor, deyarli tushunarsiz his-tuyg'ularga aylanishini faqat aql va ilm ko'rsata oladi.
Raketa nisbatan past balandlikda uchayotganda, unga uchta asosiy kuch ta'sir qiladi: tortishish (Nyuton tortishish kuchi), atmosfera mavjudligi sababli aerodinamik kuch (odatda bu kuch ikkiga bo'linadi: ko'tarish va tortish) va reaktiv kuch. reaktiv dvigatelning nozulidan zarrachalarni rad etish jarayoni tufayli. Agar bu barcha kuchlarni hisobga olsak, raketaning harakatini o'rganish vazifasi ancha murakkab bo'lib chiqadi. Shuning uchun raketa parvozi nazariyasini ba'zi kuchlarni e'tiborsiz qoldirish mumkin bo'lgan eng oddiy holatlardan boshlash tabiiydir. Tsiolkovskiy 1903 yilgi ishida, birinchi navbatda, aerodinamik kuch va tortishish ta'sirini hisobga olmagan holda, mexanik harakatni yaratishning reaktiv printsipi qanday imkoniyatlarni o'z ichiga olganligini tekshirdi. Raketa harakatining bunday holati yulduzlararo parvozlar paytida bo'lishi mumkin, qachon quyosh tizimi sayyoralari va yulduzlarni jalb qilish kuchlarini e'tiborsiz qoldirish mumkin (raketa quyosh tizimidan ham, yulduzlardan ham etarlicha uzoqda - "bo'sh kosmosda" - Tsiolkovskiy terminologiyasida). Bu muammo hozirda birinchi Tsiolkovskiy muammosi deb ataladi. Bu holda raketaning harakati faqat reaktiv kuchga bog'liq. Masalani matematik shakllantirishda Tsiolkovskiy zarrachalarning nisbiy otilish tezligi doimiy degan farazni kiritadi. Vakuumda uchayotganda, bu taxmin reaktiv dvigatelning barqaror holatda ishlashini va nozulning chiqish qismida chiqadigan zarrachalarning tezligi raketa harakati qonuniga bog'liq emasligini anglatadi. Bu muammo hozirda birinchi Tsiolkovskiy muammosi deb ataladi. Bu holda raketaning harakati faqat reaktiv kuchga bog'liq. Masalani matematik shakllantirishda Tsiolkovskiy zarrachalarning nisbiy otilish tezligi doimiy degan farazni kiritadi. Vakuumda uchayotganda, bu taxmin reaktiv dvigatelning barqaror holatda ishlashini va nozulning chiqish qismida chiqadigan zarrachalarning tezligi raketa harakati qonuniga bog'liq emasligini anglatadi. Bu muammo hozirda birinchi Tsiolkovskiy muammosi deb ataladi. Bu holda raketaning harakati faqat reaktiv kuchga bog'liq. Masalani matematik shakllantirishda Tsiolkovskiy zarrachalarning nisbiy otilish tezligi doimiy degan farazni kiritadi. Vakuumda uchayotganda, bu taxmin reaktiv dvigatelning barqaror holatda ishlashini va nozulning chiqish qismida chiqadigan zarrachalarning tezligi raketa harakati qonuniga bog'liq emasligini anglatadi.
Konstantin Eduardovich o'zining "Jahon fazolarini reaktiv qurilmalar bilan tadqiq qilish" asarida bu farazni shunday asoslaydi. “Snaryad eng yuqori tezlikka erishishi uchun yonish mahsulotlari yoki boshqa chiqindilarning har bir zarrasi eng yuqori nisbiy tezlikni olishi kerak. Ayrim chiqindi moddalar uchun ham doimiydir. ...Energiyani tejash bu erda bo'lmasligi kerak: bu mumkin emas va foydasiz. Boshqacha qilib aytganda: raketa nazariyasining asosi zarrachalarning doimiy nisbiy tezligi bo'lishi kerak.
Tsiolkovskiy zarrachalarning doimiy tezligida raketaning harakat tenglamasini tuzadi va batafsil o'rganadi va hozirda Tsiolkovskiy formulasi deb nomlanuvchi juda muhim matematik natijani oladi.
bilan belgilansa raketaning massasi teng bo'lgan momentdagi tezligi va orqali Dvigatel nozulidan chiqarilgan zarrachalarning doimiy tezligini bildiring, u holda Tsiolkovskiy formulasi quyidagi ko'rinishga ega bo'ladi:

qayerda - raketaning tezligi nolga teng bo'lganda, uchirish momentidagi massasi; o'nlik logarifmning belgisidir.
Dvigatel ishlayotgan raketaning parvoz segmenti faol parvoz segmenti deb ataladi. Faol qismning oxirida raketa tezligi eng katta bo'ladi. To'liq iste'mol qilingan yoqilg'i bilan raketaning massasi teng bo'lsa , va eng yuqori tezlik , keyin Tsiolkovskiy formulasidan kelib chiqadiki
.
Raketaning dastlabki massasining (og'irligi) yonish oxiridagi massasiga (og'irligiga) nisbati 10 ga, otilib chiqqan zarrachalarning nisbiy tezligiga teng bo'lsin. , keyin raketaning maksimal tezligi teng bo'ladi
.
Maksimal tezlik uchun Tsiolkovskiy formulasidan kelib chiqadi:
a). Dvigatelning ishlashi oxirida (parvozning faol fazasi oxirida) raketaning tezligi qanchalik katta bo'lsa, chiqarilgan zarrachalarning nisbiy tezligi shunchalik katta bo'ladi. Agar chiqishning nisbiy tezligi ikki baravar oshsa, raketaning tezligi ham ikki barobar ortadi.
b). Raketaning boshlang'ich massasi (og'irligi) ning yonish oxirida raketaning massasiga (og'irligiga) nisbati oshsa, faol qismning oxirida raketaning tezligi ortadi. Biroq, bu erda bog'liqlik yanada murakkab, u quyidagi Tsiolkovskiy teoremasi bilan berilgan:
"Agar raketaning massasi va reaktiv apparat tarkibidagi portlovchi moddalarning massasi eksponensial ravishda oshsa, raketaning tezligi arifmetik progressiya bo'yicha ortadi." Bu qonun ikki qator raqamlarda ifodalanishi mumkin:

	2	22=4	23=8	24=16	25=32	26=64	27=128
	1	2	3	to'rtta	besh	6	7

"Masalan, deylik, - deb yozadi Tsiolkovskiy, - raketa va portlovchi moddalarning massasi 8 birlikni tashkil qiladi. Men to'rt birlikni tashlab, tezlikni olaman, biz uni bitta deb olamiz. Keyin men ikki birlik portlovchi materialni tashlab, yana bir birlik tezlikka erishaman; nihoyat, portlovchi moddalar massasining oxirgi birligini tashlab, boshqa tezlik birligini olaman; faqat 3 birlik tezlik. Teorema va Tsiolkovskiyning tushuntirishlaridan ko'rinib turibdiki, "raketaning tezligi portlovchi materialning massasiga proportsional emas: u juda sekin o'sadi, lekin cheksizdir".
Tsiolkovskiy formulasidan juda muhim amaliy natija kelib chiqadi: dvigatelning ishlashi oxirida raketa tezligining mumkin bo'lgan eng yuqori tezligini olish uchun chiqarilgan zarrachalarning nisbiy tezligini oshirish va nisbiy yoqilg'i ta'minotini oshirish kerak.
Masalan, agar siz boshlang'ich og'irligi bo'sh (yoqilg'isiz) raketaning og'irligiga nisbati taxminan 3 ga va nisbiy tezligiga ega bo'lgan zamonaviy raketa uchun faol qismning oxirida tezlikni ikki baravar oshirmoqchi bo'lsangiz. ga teng gazlarning chiqishi , keyin siz ikki yo'l bilan borishingiz mumkin: yoki zarrachalar oqimining nisbiy tezligini reaktiv dvigatelning ko'krak qafasidan 2 baravar oshiring, ya'ni. , yoki nisbiy yoqilg'i ta'minotini shunday oshiringki, dastlabki og'irlikning bo'sh raketa og'irligiga nisbati 32=9 ga teng bo'ladi.
Shuni ta'kidlash kerakki, zarrachalar chiqishining nisbiy tezligini oshirish reaktiv dvigatelni takomillashtirish va ishlatiladigan yoqilg'ining tarkibiy qismlarini (komponentlarini) oqilona tanlashni talab qiladi. Nisbatan yoqilg'i ta'minotining ko'payishi bilan bog'liq ikkinchi yo'l raketa korpusi, yordamchi mexanizmlar va parvozlarni boshqarish moslamalari dizaynini sezilarli darajada yaxshilashni (yorug'lashni) talab qiladi.
Tsiolkovskiy tomonidan amalga oshirilgan qat'iy matematik tahlil raketa harakatining asosiy qonuniyatlarini ochib berdi va haqiqiy raketa konstruktsiyalarining mukammalligini miqdoriy baholashga imkon berdi.
Oddiy Tsiolkovskiy formulasi elementar hisob-kitoblar orqali u yoki bu vazifani amalga oshirishning maqsadga muvofiqligini aniqlashga imkon beradi. Haqiqatan ham, aytaylik, siz Marsga bir bosqichli raketa qurmoqchisiz. Sizda nisbiy zarrachalarni chiqarish tezligi teng bo'lgan dvigatelingiz bor . Keyin, Yerning tortishish maydonini yengish uchun, tezlikni bilish , raketada kerakli nisbiy yoqilg'i ta'minotini topishingiz mumkin. Tsiolkovskiy formulasidan bizda mavjud
,
yoki

O'nlik logarifmlar jadvallaridan biz buni topamiz

ya'ni raketa strukturasi, dvigatel, yordamchi mexanizmlar va boshqaruv moslamalarining umumiy og'irligi boshlang'ich og'irligining 1% dan bir oz ko'proq bo'lishi kerak. Bunday raketani yasash mumkin emas. Agar chiqishning nisbiy tezligini oshirish mumkin bo'lsa edi unda Tsiolkovskiy formulasidan bu holda topish oson

va natijada,

bular. yoqilg'isiz raketaning og'irligi uning uchish og'irligining 10% bo'lishi kerak. Bunday raketani yaratish mumkin.
Tsiolkovskiy formulasi aerodinamik kuch va tortishish reaktiv kuchga nisbatan nisbatan kichik bo'lgan hollarda raketa tezligini taxminiy baholash uchun ishlatilishi mumkin. Qisqa yonish vaqti va soniyada yuqori oqim tezligi bo'lgan kukunli raketalar uchun bunday muammolar paydo bo'ladi. Bunday kukunli raketalarning reaktiv kuchi tortishish kuchidan 40-120 marta va tortish kuchidan 20-60 marta oshadi. Tsiolkovskiy formulasi bo'yicha hisoblangan bunday kukunli raketaning maksimal tezligi haqiqiydan 1 - 4% ga farq qiladi; dizaynning dastlabki bosqichlarida parvoz xususiyatlarini aniqlashda bunday aniqlik juda etarli.
Tsiolkovskiy formulasi harakatni aloqa qilishning reaktiv usulining maksimal imkoniyatlarini miqdoriy aniqlash imkonini berdi. 1903 yilda Tsiolkovskiyning ishidan keyin raketa texnologiyasini rivojlantirishda yangi davr boshlandi. Bu davr raketalarning parvoz xususiyatlarini hisob-kitoblar orqali oldindan aniqlash mumkinligi bilan ajralib turadi, shuning uchun raketalarning ilmiy dizaynini yaratish Tsiolkovskiyning ishidan boshlanadi. 19-asrning chang raketalari konstruktori K. I. Konstantinovning yangi fan - raketa ballistikasi (yoki raketa dinamikasi) ni yaratish imkoniyati haqidagi bashorati Tsiolkovskiy asarlarida haqiqiy amalga oshirildi.