Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук
Так как был взят курс на создание ракет на жидком топливе, требовались устройства для перекачки горючего и окислителя – насосы, турбины, компрессоры для распыления топлива – форсунки, сопла и смесители для двухкомпонентных двигателей.
Эти устройства были придуманы раньше, например для водопроводов, но ракетные инженеры создали новые системы и механизмы с лучшими свойствами, а также глубже проработали теорию движения жидкостей и газов.
Для эффективности двигателя нужно, чтобы горючее и окислитель смешивались равномерно внутри камеры сгорания. Первые двигатели в СССР оснащались различными типами форсунок, среди которых лучше всего себя показали центробежные. При движении по кругу жидкость образует слой, напоминающий тонкую пленку. При вылете поток встречает воздух и дробится на мелкие капли, которые равномерно распределяются в конусе. Шесть таких центробежных форсунок впервые установили на двигателе ОРМ‐65, и они занимали много места. В двигателе РД‐107 для ракеты-носителя Р‐7, на которой летал Юрий Гагарин, было 920 форсунок, но меньшего размера и куда более легких. Они используются для эффективного сжигания жидкого топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей электростанций, в турбореактивных двигателях самолетов, иногда в двигателях внутреннего сгорания. Кроме этого, форсунки применяются в огнетушителях и системах распыления воды – в увлажнителях, разбрызгивателях и т. д. Насколько важна эта деталь для космонавтики, видно уже по тому, что одну из модификаций ракеты-носителя «Союз» – «Союз-ФГ» – назвали так именно благодаря форсуночной головке.
Двигатель ОРМ‐65 в разрезе и двигатель РД‐107
После форсунок большой проблемой для инженеров стало изготовление турбин, вернее, лопаток, что выдерживали бы огромное давление. С проблемой столкнулся еще первый изобретатель этого механизма – Густав Лаваль – в 1883 году. Турбина – это механизм, который приводится в движение при помощи потока газа или жидкости между лопатками; они раскручиваются и передают вращение валу, и внутренняя энергия топлива или потока переходит в энергию движения. Лопатки должны быть не только прочными, но и абсолютно точно выверенными. Космические инженеры смогли разработать технологию отливки и добиться высокой эффективности, а турбины также стали применяться на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях и как составная часть приводов на морском, наземном и воздушном транспорте.
Лаваль для повышения качества своей турбины использовал специальный расширитель – сопло. Сейчас же, когда речь заходит о реактивных двигателях, сразу появляется именно образ сначала сужающейся, а потом расширяющейся трубы – сопла. Лаваль не обладал современными знаниями, он создал сопло такой формы исходя из эмпирических соображений. Ученые при проектировании ракетных двигателей опробовали разные формы расширителей, нужных для увеличения скорости потока. В камере сгорания атомы горючего теснятся, а потом – при расширении – высвобождаются и ускоряются, а давление снижается. Это происходит с любыми жидкостями. Сопло Лаваля оказалось наиболее эффективным для реактивных двигателей, где скорости выше скорости звука, а также для пескоструйных машин и плазменных резаков. Другие типы сопел стали применяться в распылителях краски и струйных системах водяной очистки.
Параллельно с разработкой двигателя встал и еще один фундаментальный вопрос: управление. Контролировать движение вручную невозможно – человек не такой быстрый. Инженеры обратились к гироскопам – это вращающиеся диски наподобие юлы. Гироскопы всегда сохраняют свое положение в пространстве после того, как их раскрутили, это гарантирует закон сохранения момента импульса. Если бы внутри ракеты находился такой прибор, можно было бы мгновенно понять, в какую сторону повернула ракета – появился бы угол между корпусом и гироскопом, и этот угол был бы равен углу поворота.
В 1920–1930‐е годы подобные приборы требовались практически везде – в лодках, чтобы следить за качкой, в автопилотах самолетов, в различном оружии. Инженеры-гироскописты были нарасхват. Среди факторов, что подстегивали исследования в этой области, космос был даже не на первом месте. Но именно ракетные полеты поставили новые и необычные задачи. Гироскопы должны были стать легче, надежнее, точнее, должны были фиксировать повороты во все стороны. Чтобы оценить важность и сложность задачи, представьте, что в знаменитом Совете Главных (шестерке конструкторов – отцов космонавтики) сразу двое, Николай Пилюгин и Виктор Кузнецов, отвечали за гироскопические приборы. Их труды имели огромное значение – новые системы и математические теории позволили создать высокоточную систему управления. Исследования не прекращаются и сейчас. Появились новые, именно космические гироскопы: трехстепенные, способные фиксировать повороты в трех плоскостях; и поплавковые, погруженные в вязкую жидкость, что позволяет снизить негативное влияние давления, трения, перепада температур и повысить надежность.
Гироскоп для ракеты-носителя
В 1990‐х годах появляются лазерные гироскопы, которые могут с помощью луча света определять поворот на сотни долей угловой секунды. При этом прибор помещается в ладони.
В 2000‐х годах появляются пьезогироскопы и микроэлектронные гироскопы в смартфоне. За поворот экрана и работу многих приложений отвечают именно они. Очень популярные сейчас квадрокоптеры без гироскопа не летают в принципе – аппарат сразу кренится, разворачивается и в итоге разбивается. Электроскутеры используют гироскопы еще и как элемент управления. Строительные краны и дорожно-укладочные механизмы тоже должны знать, как наклонились их рабочие элементы. В роботах может быть до сотни гироскопов, ведь каждой металлической руке или ноге, а также шее, спине, голове нужно передавать информацию о положении. Вы видели роботов-собак, которых толкают и пинают, а они твердо стоят? По сути, любое механическое или электронное устройство, способное поворачиваться или вращаться, имеет внутри гироскоп.
Автоматической системе управления требуется не только знать, как повернулся космический аппарат, но и рассчитать, как нужно вращаться. Однако если вычислять углы классическими тригонометрическими формулами из средней школы, могут возникнуть ошибки. Например, известная задача про охотника, который прошел на юг, на запад и на север одно расстояние и оказался в стартовой точке. Это возможно только на полюсе. Также при нескольких оборотах вокруг разных осей может потеряться 180° или число Пи. Кроме того, у гироскопов есть физическая проблема – так называемое складывание рамок. Спутник может так повернуться вокруг одной оси, что остальные оси совпадут, и из-за этого потеряется возможность верной ориентации.
Для решения этой проблемы в космонавтике математики начали использовать особые числа – кватернионы. Их придумали еще в XVIII веке, но тогда кватернионы не получили применения и обсуждались математиками
