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技术历史、技术、我们身边的事物
弹道式导弹。 发明和生产的历史
弹道导弹是导弹武器的一种。 大部分飞行是沿着弹道轨迹进行的，也就是说，它处于不受控制的运动中。 在飞行的主动阶段，导弹的飞行控制系统将所需的飞行速度和方向传达给弹道导弹。 发动机关闭后，弹头（即火箭的有效载荷）在剩余时间内沿着弹道轨迹移动。 弹道导弹可以是多级的，在这种情况下，达到给定速度后，用过的级将被丢弃。 该方案可以减轻火箭当前的重量，从而提高其速度。
在其近千年的发展历史中，火箭技术已经走过了漫长的道路，从原始的“火箭”发展到能够将多吨航天器送入轨道的最强大的现代运载火箭。 火箭是在中国发明的。 关于其战斗用途的第一个记录信息与 1232 年蒙古人围攻中国城市片王有关。 中国的火箭，然后从堡垒发射并给蒙古骑兵灌输恐惧，是装满火药的小袋子，绑在普通的弓箭上。 继中国人之后，印度人和阿拉伯人开始使用燃烧火箭，但随着火器的普及，火箭失去了意义，被迫退出广泛的军事用途长达多个世纪。
火箭作为军事武器的兴趣再次在 1804 世纪被唤醒。 20 年，英国军官威廉·康格里夫对火箭的设计进行了重大改进，他在欧洲首次设法建立了战斗火箭的大规模生产。 其火箭的质量达到 3 公斤，飞行距离 - 1000 公里。 凭借适当的技能，他们可以击中最远 1807 m 的目标。25 年，英国人在轰炸哥本哈根期间广泛使用了这些武器。 在很短的时间内，超过XNUMX枚火箭弹向这座城市发射，结果这座城市几乎被完全烧毁。 但很快，膛线火器的发展使导弹的使用变得无效。 在 XNUMX 世纪下半叶，他们在大多数州都退出了服役。 同样，近一百年来，火箭退役了。 然而，当时一位或另一位发明家已经出现了各种使用喷气推进的项目。 1903 年，俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发表了他的著作《用反应仪器对空间进行研究》。 在其中，齐奥尔科夫斯基不仅预言了火箭有朝一日会成为载人进入太空的交通工具，而且还首次绘制了新型液体推进剂喷气发动机的示意图。 此后，1909年，美国科学家罗伯特·戈达德首先提出了制造和使用多级火箭的想法。 1914 年，他为这项设计申请了专利。 使用多级的优点是在级用完油箱中的燃料后，将其丢弃。 这减少了必须加速到更高速度的质量。 1921 年，戈达德对他的液体推进剂喷气发动机进行了首次测试，该发动机使用液氧和乙醚。 1926年，他首次公开发射了液体发动机火箭，但升空只有12米，以后戈达德更加注重火箭的稳定性和可控性。 5年，他首次发射了带有陀螺舵的火箭。 最终，他的火箭，起始重量高达 1932 公斤，上升到高达 350 公里的高度。 在 3 年代，一些国家已经在进行改进火箭的密集工作。 一般来说，液体推进剂喷气发动机的工作原理非常简单。 燃料和氧化剂在单独的罐中。 在高压下，它们被送入燃烧室，在那里它们被充分混合、蒸发、反应和点燃。 产生的热气体通过喷嘴以很大的力被抛回，从而导致出现射流推力。
然而，这些简单原理的实际实现遇到了巨大的技术难题，这是最初的设计者所面临的。 其中最尖锐的是确保燃料在燃烧室中稳定燃烧和冷却发动机本身的问题。 关于火箭发动机的高能燃料以及如何向燃烧室供应燃料成分的问题也非常困难，因为要完全燃烧并释放最大热量，它们必须很好地分散并与每种燃料均匀混合其他贯穿整个腔室。 此外，有必要开发可靠的系统来调节发动机的运行和火箭的控制。 在成功克服所有这些困难之前，经历了很多实验、错误和失败。 一般而言，液体推进剂发动机也可以使用单组分燃料，即所谓的单一燃料。 因此，例如，浓缩的过氧化氢或肼可以起作用。 当与催化剂结合时，过氧化氢 H2O2 大量释放热量分解成氧气和水。 肼N2H4 在这些条件下，它分解成氢气、氮气和氨气。 但大量测试表明，使用两个独立组件（其中一个是燃料，另一个是氧化剂）运行的发动机效率更高。 好的氧化剂是液氧O2, 硝酸 HNO3, 各种氮氧化物, 以及液态氟 F2. 煤油，液态氢 H2, (与液氧结合是一种非常有效的燃料), 肼及其衍生物。 在火箭技术发展的初始阶段，乙醇或甲醇通常被用作燃料。 为了更好地雾化和混合燃料（氧化剂和燃料），使用了位于燃烧室前面的特殊喷嘴（燃烧室的这一部分称为喷嘴头）。 通常，它具有扁平形状，由许多喷嘴形成。 所有这些喷嘴都制成双管形式，用于同时供应氧化剂和燃料。 燃油喷射在高压下进行。 高温下的氧化剂和燃料的小液滴剧烈蒸发，相互发生化学反应。 燃料的主要燃烧发生在喷油头附近。 与此同时，产生的气体的温度和压力也大大增加，然后冲入喷嘴并高速喷出。 燃烧室中的压力可以达到数百个大气压，因此必须以更高的压力供应燃料和氧化剂。 为此，第一批火箭使用压缩气体或推进剂成分本身的蒸汽（例如液氧蒸汽）对燃料箱进行加压。 后来，开始使用由燃气轮机驱动的特殊高性能大功率泵。 为了在发动机运行的初始阶段启动燃气轮机，从燃气发生器供应热气。 后来他们开始使用由燃料本身的成分形成的热气。 涡轮加速后，这种气体进入燃烧室，用于加速火箭。 最初，他们试图通过使用特殊的耐热材料或特殊的冷却剂（例如水）来解决发动机冷却问题。 然而，通过使用燃料本身的一种成分，逐渐发现了一种更有利可图和有效的冷却方法。 在进入燃烧室之前，其中一种燃料成分（例如，液氧）在其内壁和外壁之间通过，并带走来自最受热应力的内壁的大部分热量。 这个系统并没有立即制定出来，因此，在火箭制造的第一阶段，它们的发射往往伴随着事故和爆炸。 空气和气体方向舵被用来控制第一批火箭。 气体舵位于喷嘴出口处，通过偏转从发动机流出的气体射流来产生控制力和力矩。 在形状上，它们类似于桨叶。 在飞行过程中，这些方向舵迅速燃烧并坍塌。 因此，在未来，它们的使用被放弃并开始使用特殊的控制火箭发动机，这些发动机能够相对于安装轴旋转。 在苏联，制造液体推进剂火箭的实验始于 30 年代。 1933 年，莫斯科喷气推进研究小组 (GIRD) 开发并发射了第一颗苏联火箭 GIRD-09（设计师谢尔盖·科罗廖夫和米哈伊尔·季洪拉沃夫）。 这枚火箭长2 m，直径4 cm，发射重量18 kg。 由液氧和冷凝汽油组成的燃料质量约为 19 公斤。 发动机的推力高达 5 公斤，可以工作 32-15 秒。 第一次发射时，由于燃烧室烧毁，气体射流开始从侧面逸出，导致火箭受阻，飞行平缓。 最大飞行高度为18 m。 随后几年，苏联火箭科学家又进行了几次发射。 不幸的是，1939 年反应性研究所（GIRD 于 1933 年转变为该研究所）被 NKVD 击败。 许多设计师被送往监狱和集中营。 科罗廖夫于 1938 年 XNUMX 月被捕。 他与未来的火箭发动机总设计师 Valentin Glushko 一起在喀山的一个特殊设计局工作了几年，Glushko 被列为飞机推进系统的总设计师，Korolev 是他的副手。 一段时间以来，苏联火箭科学的发展停止了。 德国研究人员取得了更多切实的成果。 1927 年，由 Wernher von Braun 和 Klaus Riedel 领导的星际旅行协会在这里成立。 随着纳粹上台，这些科学家开始致力于制造战斗导弹。 1937 年，火箭中心在佩内明德成立。 550年投资1943亿马克建设。 15年，佩内明德的核心人员已达1万人。 这里有欧洲最大的风洞和生产液氧的工厂。 该中心研制了V-2弹丸，以及历史上第一枚系列V-12700弹道导弹，发射重量为XNUMX公斤，就像一块松散的石头）。 火箭的工作早在 1936 年就开始了，当时布朗和里德尔被分配了 120 名员工和数百名工人来帮忙。 V-2 的第一次实验发射发生在 1942 年，但没有成功。 由于控制系统失灵，火箭在发射1,5分钟后坠地。 1942年96月新的开始成功了。 火箭上升到 190 公里的高度，射程达到 XNUMX 公里，并在距离目标 XNUMX 公里处爆炸。 在制造这种火箭时，有很多发现，后来被广泛用于火箭科学，但也有很多缺陷。 Fau 是第一个使用涡轮泵为燃烧室提供燃料的发动机（在此之前，通常使用压缩氮气置换）。 过氧化氢用于启动燃气轮机。 起初，他们试图通过在燃烧室壁上使用导热性差的厚钢板来解决发动机冷却问题。 但最初的启动表明，正因为如此，发动机很快就会过热。 为了降低燃烧温度，必须用 25% 的水稀释乙醇，这反过来又大大降低了发动机的效率。
1944年300月，“V”开始批量生产。 这种射程可达1公里的导弹携带的弹头重达1944吨，从6100年4300月开始，德军开始用它们轰炸英国领土。 总共制造了1050枚导弹，进行了3次战斗发射。 XNUMX枚火箭飞到英国，其中一半直接在伦敦爆炸。 结果，大约有XNUMX人死亡，受伤人数增加了一倍。
V-2的最高飞行速度达到1,5公里/秒，飞行高度约为90公里。 英国人没有办法拦截或击落这种导弹。 但由于制导系统不完善，它们通常被证明是相当无效的武器。 但是，从火箭技术的发展来看，Vs代表了一个巨大的进步。 最主要的是，世界相信导弹的未来。 战后，火箭科学在各州得到了强有力的国家支持。 起初，美国发现自己处于更有利的条件下，许多以布朗本人为首的德国火箭人在德国战败后被运送到美国，就像几个现成的Vs。 这种潜力成为美国导弹工业发展的起点。 1949 年，美国人在小型 Vak-Corporal 研究火箭上安装了 V-2，将其发射到 400 公里的高度。 在相同的“V”的基础上，在布朗的领导下，美国弹道导弹“维京”于 1951 年制造，发展速度约为 6400 公里/小时。 1952 年，同样的布朗为美国研制了射程高达 900 公里的红石弹道导弹（正是这种导弹在 1958 年用作将美国第一颗卫星探索者 1 号发射到轨道的第一阶段） . 苏联必须赶上美国人。 在这里制造自己的重型弹道导弹也始于对德国 V-2 的研究。 为此，胜利后立即派出一批设计师前往德国（包括科罗廖夫和格鲁什科）。 诚然，他们并没有准备好一个完整的“Fau”，但根据间接迹象和众多证词，这个想法是相当完整的。 1946 年，苏联开始大力研制远程自动制导弹道导弹。 由 Korolev 组织的 NII-88（后来在莫斯科附近的 Podlipki 的 TsNIIMash，现为 Korolev 市）立即获得了大量资金和全面的国家支持。 1947年，第一枚苏联弹道导弹R-2是在V-1的基础上制造出来的。 这第一次成功来之不易。 在火箭的研制过程中，苏联工程师面临着许多问题。
苏联工业当时没有生产火箭科学所需的钢种，没有必要的橡胶和塑料。 使用液氧时会出现巨大的困难，因为所有可用的润滑油在低温下都会立即变稠，并且方向舵停止工作。 我必须开发新型油。 一般的生产文化与火箭技术的水平完全不符。 长期以来，制造零件的精度和焊接质量仍有待提高。 1948 年在 Kapustin Yar 试验场进行的测试表明，R-1 不仅没有超过 V-2，而且在许多方面也不如 V-12。 几乎所有的开始都没有顺利进行。 由于故障，一些导弹的发射多次推迟。 在准备进行测试的 9 枚导弹中，只有 XNUMX 枚发射难度很大。 1949 年进行的测试已经给出了更好的结果：在 20 枚导弹中，有 16 枚击中了 16 x 8 公里的给定矩形。 没有一次启动引擎失败。 但即使在那之后，他们也花了很长时间才学会如何设计能够启动、飞行并击中目标的可靠导弹。 1949年，在R-1的基础上研制出V-1A高空物探火箭，发射重量约14吨（直径约1,5m，高15m）。 1949年，这枚火箭将一个装有科学仪器的集装箱运送到102公里的高空，然后安全返回地球。 1950 年，R-1 投入使用。 从那一刻起，苏联火箭科学家已经凭借自己的经验，很快不仅超越了他们的德国老师，也超越了美国设计师。 1950 年，制造了一种全新的 R-2 弹道导弹，配备单个运载坦克和可拆卸弹头。 （V型中的油箱是悬浮式的，也就是不承载任何动力负荷。苏联设计者最初采用了这个方案。但后来他们改用运载油箱，当外壳，也就是火箭弹体，作为R-2 的体积是 R-1 的两倍，但由于使用了特殊设计的铝合金，它的重量超过了它的重量只有 350 公斤。 乙醇和液氧仍被用作燃料。 1953年，射程5公里的R-1200火箭投入使用。 在其基础上制造的 V-5A 地球物理火箭（长度 - 29 m，发射重量约 29 吨）可以将负载提升到高达 500 km 的高度。 1956 年，R-5M 火箭进行了测试，这是世界上第一次携带带有核弹头的核弹头穿过太空。 她的飞行以在距离发射场 1200 公里的阿拉尔卡拉库姆特定区域发生真正的核爆炸而告终。 科罗廖夫和格卢什科随后获得了社会主义劳动英雄的星光。 直到 50 年代中期，所有苏联导弹都是单级的。 1957年，一枚作战洲际多级弹道导弹R-7从拜科努尔新航天发射场成功发射。 这枚火箭长约 30 m，重约 270 吨，由第一级的四个侧块和一个带有自己的发动机的中央块组成，作为第二级。 在第一阶段，使用 RD-107 发动机，在第二阶段 - RD-108 使用氧煤油燃料。 开始时，所有发动机同时启动并产生约 400 吨的推力。
上面已经讨论了多级火箭相对于单级火箭的优势。 有两种可能的步骤安排。 在第一种情况下，位于底部并在飞行开始时发射的最大火箭称为第一级。 通常，在其上安装一个较小尺寸和质量的第二火箭，作为第二级。 反过来，可以在其上放置第三枚火箭，依此类推，具体取决于需要多少级。 这是一种具有级序排列的火箭。 R-7 属于不同类型 - 纵向分离台阶。 第一级的单独块（发动机和油箱）位于第二级主体周围，并且在开始时，两个级的发动机开始同时工作。 在燃料耗尽后，第一级的块被丢弃，第二级的发动机继续工作。 几个月后，也就是 1957 年，正是这枚火箭将历史上第一颗人造地球卫星送入轨道。 作者：Ryzhov K.V.
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