"Знание - сила" №11а 1954 год
| ЛЕГКИЙ, НО ПРОЧНЫЙ |
Начальник лаборатории
прочности инженер
Ф. МАМЕДОВ
СДЕЛАЙТЕ корабль полегче — каждый день твердил нам главный конструктор. Мы понимали его желание. Чем легче корабль, тем легче развить большую скорость и преодолеть земное притяжение.
 В полутьме лаборатории испытывалась прозрачная модель корабля. |
Но колоссальные скорости увеличивают сопротивление воздуха. При разгоне возникают огромные силы инерции. А высокие температуры! А возможные столкновения с метеоритами! Нелегко было сделать корабль и прочным и легким.
Отечественная промышленность снабдила нас великолепными материалами. За последние годы металлурги создали высокопрочные сплавы легких металлов: титана, магния, бериллия, не уступающие по своим свойствам самым лучшим сортам стали прошлых лет и с удельным весом в 3-4 раза меньше, чем у железа. В нашем распоряжении есть чрезвычайно прочная пластмасса, хорошо гасящая колебания и шумы. Наши жаропрочные материалы выдерживают теперь температуру в два — два с половиной раза выше чем 20 лет назад. Так, реактор двигателя выложен изнутри пористой керамикой, изготовленной на основе окиси бериллия. Эта керамика выдерживает температуру свыше 4000 градусов. Рабочее вещество — вода — продавливается в реактор через мельчайшие поры в стенках, одновременно охлаждая их. Но жароупорная керамика не в состоянии выдержать большие давления, возникающие в двигателе. Поэтому она заключена в прочную оболочку из сплава менее жароупорного, но более прочного. Сплав этот изготовлен металлокерамическим способом, путем спекания тонкого металлического порошка. Благодаря этому он тоже весь пронизан порами и охлаждается так же, как и керамическая облицовка.
Десятки домкратов растягивали и гнули корабль, исследуя его прочность.
 |
Но легкие, прочные и жаростойкие материалы сами по себе еще не решают задачи. Важно так ими распорядиться, чтобы наилучшим образом использовать их достоинства, то есть создать такие конструкции, в которых не было бы ни одного лишнего грамма. А для этого нужны наиболее совершенные методы расчета. Такие методы созданы за последние десятилетия нашей наукой о прочности. И сами расчеты ведутся теперь по-иному — с помощью новейших, быстродействующих счетно-решающих машин, умеющих решать самые разнообразные уравнения. Если бы вы зашли в наш расчетный отдел, вам показалось бы, что вы попали в исследовательскую лабораторию. Представьте себе большой зал, вдоль стен которого расположены высокие стенды со светящимися экранами. Цветные лампочки зажигаются и гаснут. Движутся стрелки множества приборов. Легкие щелчки переключателей: это оператор задает условия уравнения. А через несколько секунд на лентах самопишущих приборов и на экранах появляется решение. Теперь дело инженера-прочниста оценить его и дать рекомендацию конструкторам.
Несмотря на все совершенство наших расчетных методов, решить все задачи математически не удалось. Здесь нам на помощь пришел эксперимент.
Еще до того, как были выпущены окончательные рабочие чертежи, в лаборатории прочности начались испытания моделей отдельных деталей, а затем и всего корабля, изготовленных из прозрачного металла. Этот материал (одна из солей серебра) под действием различных нагрузок меняет свои оптические свойства. На специальной установке прозрачная модель испытывалась под различными нагрузками, и в полутьме лаборатории вспыхивало цветное изображение корабля, рассказывая о напряжениях в любых точках конструкции.
Эти испытания позволили уточнить форму корпуса и построить первый вариант ракетоплана. Весь он был покрыт тонким слоем очень хрупкого металлического сплава. Десятки домкратов начали его гнуть, растягивать, скручивать. Корабль оставался цел, но хрупкое металлическое покрытие трескалось при сравнительно небольших нагрузках, указывая нам наиболее опасные зоны и позволяя подсчитать допустимые напряжения. Двигатель испытывался в скале, в глубокой пещере, чтобы атомные взрывы никому не могли повредить. Испытатели не входили в пещеру, все сведения они получали от автоматических приборов. В итоге конструкторы создали корабль без добавочных внутренних стен или перегородок. Всю основную нагрузку несет корпус корабля. Это дало нам возможность целесообразно использовать каждый кубический дециметр объема для того, чтобы разместить наибольшие запасы горючего, все необходимые приборы, создать максимум удобств экипажу.
| РАДИО- ПОМОЩНИКИ |
Конструктор системы радиотелеуправления,
наземный пилот корабля
«Луна-1» инженер
Р. ВИНОГРАДОВ
Наивысшая скорость корабля «Луна-1» — около 38 000 километров в час, в 30 раз выше скорости звука. Допустим — препятствие. Сколько нужно, чтобы заметить его, осмыслить, протянуть руку, нажать кнопку, повернуть корабль? Предположим — четверть секунды. А за это время корабль пролетит почти три километра. Человеческого зрения, сообразительности, умения оценивать обстановку здесь не хватает. Человек слишком медленно думает и движется, чтобы управлять стремительным космическим кораблем. Ему нужны более проворные помощники. Помощники эти — многочисленные и верные — будут сопровождать людей в космосе. Это радиотехнические и электротехнические устройства, аппараты и приборы, автоматически работающие и автоматически контролирующие сами себя. Причем на корабле будет меньшая часть их — самые легкие и небольшие по размеру. А бóльшая часть их располагается на Земле, возле взлетной установки. Этой группой аппаратов буду ведать я.
Оператор наземной станции управления наблюдает за стартом ракеты. |
В короткой беседе невозможно охарактеризовать каждый прибор и аппарат. Количество аппаратуры и ее сложность можно представить себе, если сказать, что в ее состав входит несколько десятков тысяч электронных и кристаллических ламп и сотни километров различного кабеля и провода. Напомню, что в телевизоре всего лишь два десятка ламп. Главная задача аппаратуры — полная автоматизация управления. На корабле предусмотрено резервное ручное управление, которым экипаж сможет воспользоваться, если выйдет из строя и наземная и бортовая аппаратура. Но практически это почти невероятно, так как на борту находится два комплекта аппаратуры, автоматически дублирующих друг друга, а на Земле действуют три комплекта.
Добавочные трудности создает нам вращение Земли. Радиоволны не проходят сквозь земной шар, и когда ракета будет скрываться за горизонтом, мы не сможем управлять ее полетом. Поэтому нам пришлось создать вторую станцию управления на противоположной стороне земного шара — на берегу Берингова моря. Эта дальневосточная станция и наша — кавказская — будут поочередно управлять космическим кораблем.
Взлет корабля и достижение космической скорости осуществляется автоматически. Командиру корабля оставлена только одна функция: проверив полную готовность экипажа и всего корабля, нажать кнопку и тем самым подать электрическую команду многочисленным автоматически действующим приборам. Как видите, мышечные усилия здесь ничтожны. Человек выступает как дирижер в слаженном оркестре электро- и радиоаппаратов. И так же, как дирижер, прежде чем взмахнуть палочкой, он должен изучить, настроить, испытать каждый инструмент в этом автоматическом оркестре.
Итак, кнопка нажата. Приведен в действие концентрированный труд многочисленного коллектива ученых, инженеров, рабочих, и корабль отправлен в первый полет на Луну. Вот корабль избрал необходимую скорость, двигатель выключен, и начинается свободный полет. А с Земли за полетом корабля автоматически следит специальная радиолокационная станция. Она сообщает данные о местонахождении корабля с очень высокой точностью.
В случае надобности земные врачи устроят консилиум и передадут по радио врачебные предписания. |
Эти данные подаются в электронный счетно-решающий прибор, который непрерывно ведет расчет траектории корабля и определяет его отклонение от заранее рассчитанной траектории и графика полета. По полученному отклонению вырабатываются команды, которые по радио передаются на борт корабля. Там команды принимаются, усиливаются и передаются на моторы, включающие и выключающие выравнивающие двигатели, установленные на концах крыльев ракеты.
Чтобы избежать опасных столкновений с метеоритами, мы сконструировали специальную бортовую радиолокационную станцию. Радиолокаторы, установленные на корпусе корабля, заблаговременно сообщают о приближении метеоритных частиц, направлении их полета и скорости. Если грозит столкновение, по данным этих радиолокаторов, автоматы посылают электрические сигналы, которые передаются двигателям крыла, а те изменяют направление полета. Все это выполняется в доли секунды. Весьма ответственный этап — посадка корабля на лунную поверхность. В это время вступает в действие дополнительная очень сложная бортовая и наземная аппаратура, которая названа нами «лучевым высотометром». С ее помощью непрерывно определяется расстояние между кораблем и лунной поверхностью и совершается посадка на Луну. Четверо советских людей улетают за сотни тысяч километров от Родины. Но они не будут одиноки в межпланетных просторах. Радио свяжет их с Землей. На корабле установлены радиотелефон и аппарат для передачи изображений. На одних частотах будут передаваться сигналы от наземной станции к механизмам корабля, на других — с корабля на Землю. Особый радиоканал отведен врачам. Они будут непрерывно наблюдать за самочувствием путешественников и получать сведения об их здоровье от тех маленьких приборов, которые вставлены в скафандры и прикреплены к телу путешественников. В случае каких-нибудь непредвиденных событий, влияющих на самочувствие экипажа, земные врачи устроят консилиум и передадут по радио врачебные предписания. Обо всем не расскажешь. Нужно отметить только, что электротехника и радиотехника обеспечили полет так, что успех его не подлежит сомнению.
| АТОМНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ |
Инженер-конструктор
В. КРАСАВИН
НА корабле «Луна-1» установлен атомно-реактивный двигатель. Могучая энергия, скрытая в крошечных ядрах атомов, понесет советских ученых по межпланетным просторам. Нам пришлось приложить много усилий, чтобы облегчить и уменьшить наш двигатель. В результате он весит всего несколько тонн, диаметр его около полутора метров. Наш атомно-реактивный двигатель оказался гораздо меньше, чем паровоз, но неизмеримо мощнее.
Самым ответственным этапом строительства была сборка корабля. |
В обычных (неатомных) реактивных двигателях имеется камера сгорания и отверстие для выхода газов — сопло. В камере сгорания идет химическая реакция, и горючее, например, бензин или спирт, превращается в газы, которые стремительно вырываются из сопла. При этом ракета летит в обратную сторону и тем быстрее, чем меньше ее масса, чем больше масса вытекающих газов и чем выше их скорость.
В нашем атомно-реактивном двигателе тоже есть «камера сгорания». Она называется реактором: в ней происходит ядерная реакция. Сюда из баков подается раствор одной из солей урана-235. Баки устроены так, что в каждом из них ядерная реакция не может развиться. Но когда уран поступает в реактор из нескольких баков одновременно, и смешивается несколько его порций, начинается цепная реакция, то есть непрерывный распад урановых ядер. В ходе ядерной реакции развивается температура около 4000 градусов. Самые тугоплавкие вещества, которые были известны 20 лет тому назад, не выдерживают этой температуры — при ней плавятся вольфрам, осмий и графит. Наш двигатель построен из новых жаростойких материалов. О них вам рассказал наш «прочнист».
Жар атомного котла используется для нагревания рабочего вещества. Пример рабочего вещества — вода в паровозе. В паровозной топке горит уголь, за счет его жара вода нагревается и превращается в пар, который и движет машину. В нашей атомной «топке» «сгорает» уран. За счет его энергии нагревается рабочее вещество — у нас также вода. При температуре 4000 градусов вода распадается на водород и кислород, и горячие, ослепительно светящиеся газы вылетают из ракеты со скоростью около 10 километров в секунду.
Корабль будет поворачиваться с помощью добавочных двигателей, установленных на крыльях. |
Такой скорости истечения нельзя получить ни при одной химической реакции. Там рекорд — 4-5 километров в секунду. Таким образом, только сочетание атомного горючего с рабочим веществом дает нам возможность совершить межпланетный полет с двумя взлетами и двумя посадками.
Атомное горючее — идеальное топливо. Оно позволяет получить баснословно высокую температуру, лишь бы выдержали стенки реактора. Килограмм урана дает в миллион раз больше тепла, чем килограмм бензина. Поэтому «Луна-1» берет с собой совсем немного ядерного горючего — меньше тонны.
К сожалению, на тонну уранового раствора приходится тащить 600 тонн рабочего вещества. По существу мы отправляем на Луну огромную цистерну с водой, на стенках которой прилепились 4 пассажира с аппаратурой. Очень заманчиво было бы обойтись без рабочего вещества. Теоретически это возможно. Можно представить себе двигатель, где вместо газа из сопла вылетали бы осколки ядер. Скорость «истечения» этих осколков может доходить до десятков тысяч километров в секунду. Но увы! При этом развились бы температуры в миллионы градусов, с которыми мы не умеем справляться. Кроме того, осколки ядер полетят во все стороны, и мы не можем направить их в сопло. Если когда-нибудь ученые победят эти трудности, вы прочтете о кораблях, улетающих не на Луну, а к соседним звездам — в другие планетные системы.
Схема межпланетного корабля «Луна-1».
Межпланетному кораблю, как и всякому другому, нужны рули. Принцип действия рулевых механизмов был предложен еще Циолковским. Если нужно изменить положение корабля в полете, то есть повернуть его вокруг центра тяжести (например, при посадке на Луну), пассажиры включают небольшой электромотор, который раскручивает массивный диск. При этом корабль «Луна-1» начинает поворачиваться в другую сторону. Таково свойство тел, на которые не действуют внешние силы. По той же причине колесо крутится навстречу бегущей в нем белке. Если пассажиры ракеты вздумают бегать вокруг своей «комнаты» по часовой стрелке, весь корабль очень медленно начнет поворачиваться против часовой стрелки.
Чтобы изменять направление полета, на корабле имеется тугоплавкий жароупорный руль. Он помещен в струе газов и может отклонять их в сторону. При этом вся ракета отклонится в противоположном направлении. Конечно, этот руль можно применять лишь тогда, когда работает двигатель, то есть при взлетах и посадках. В остальное время «Луна-1» будет поворачиваться с помощью добавочных двигателей, помещенных на крыльях. На ракете есть еще двигатель генератора, доставляющего электрическую энергию всем рулям, механизмам управления, аппаратам и приборам.
| ИЗДЕЛИЯ НАШИХ РУК |
Г. ВАЛЬКОВ,
токарь авиазавода
НА днях межпланетный корабль отправляется на Луну. На нашем заводе нашлось бы много желающих полететь, но пока на Луне токари не требуются. Зато у нас, рабочих авиазавода, своя гордость: сами мы не полетим, а изделия наших рук полетят. Наш завод много выпустил таких летающих изделий. На наших моторах советские летчики поднимались в небо сражаться с фашистами, на наших двигателях все четыре ракеты летели на Луну, в том числе и та, которая снимала кинофильм «Путешествие киноаппарата вокруг Луны». Мне самому пришлось сверлить отверстие для кинообъектива в корпусе этой ракеты. Но такой сложной и трудной работы, как для межпланетного корабля «Луна-1», еще не бывало.
В двигателе будут небывалые температуры и небывалое давление. Поэтому применялись и небывалые материалы — самые прочные и самые жароупорные. Немало хлопот нам доставили, например, металло-керамические плитки для камеры сгорания. В каждой плитке нужно было сделать 10-15 отверстий, одни с палец толщиной, другие тоньше волоса. Сверлильный станок не справился бы с этой задачей: самые твердые сверла не берут металлокерамику. Помог новый ультразвуковой станок. В нем 24 аппарата: генератор высокой частоты, усилители, реле и так далее. Рожденный ими ультразвук, то есть неслышные колебания с частотой — 20000 в секунду и выше, передается «пуансону» — инструменту, отлитому по форме отверстия. Пуансон же передает свои колебания твердому абразивному порошку — в данном случае кристалликам фабричных алмазов.
Кристаллики, в свою очередь, воздействуют на керамику и довольно быстро выбивают в ней отверстие. Трудности были и с жароупорной облицовкой. Обычно такие материалы обрабатываются на термофрезерном станке, на котором я работаю уже 6 лет. Терморезание предложено советскими учеными. Идея его состоит в том, что при высокой температуре все материалы становятся одинаково мягкими. Высокая температура на нашем станке получается с помощью диска трения. Диск этот, вращаясь, накаляет деталь, а затем из отверстий в диске выдвигаются зубья фрезы, которые и снимают стружку.
На этот раз для жаропрочной керамики нам пришлось сделать особые диски и особую фрезу из той же самой керамики. При терморезании диск можно делать из того же материала, что и деталь, так как, вращаясь, он касается детали все время разными частями, а деталь трется в одном и том же месте и поэтому накаляется быстрее, чем диск.
Надо сказать также, что скорость диска не так уж далека от скорости ракеты. Если бы диск соскочил с оси и покатился по рельсам, за пять минут он добежал бы от Москвы до Ленинграда. Таким образом, для создания космических скоростей и в цехах нужны скорости... почти космические.
Теперь изделия наших рук проверены, смонтированы, готовы отправиться на Луну. Наши ученые могут лететь уверенно. Мы сделали все для того, чтобы корабль был прочным и надежным.
назад