Ракета. Мы уже знаем, что самолёт не может летать без воздуха. Воздух необходим и для полёта аэростата и шара-зонда.
Ракета же не нуждается в воздухе. Больше того, атмосферный воздух только мешает её полёту, создавая сопротивление её перемещению и несколько ухудшая работу двигателя.
Внешний вид ракеты показан на рисунке 13.
Рис. 13. Внешний вид ракеты.
В камеру сгорания (рис. 14) подаётся горючее (например, керосин) и окислитель (например, азотная кислота).
При горении образуются газы, которые вытекают из камеры через отверстие в её задней стенке.
На рисунке 14, а стрелками изображено распределение давления по поверхности камеры сгорания при работе двигателя у поверхности земли.
Рис. 14. Схема показывает, как возникает сила тяги в ракетном двигателе.
Силы, приложенные к боковым поверхностям и уравновешивающие друг друга, на рисунке не показаны. Сила давления газов на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, так как площадь задней стенки меньше на величину отверстия; результирующая сила будет направлена в сторону передней стенки.
Тяга всегда направлена в сторону, противоположную направлению вытекающих из камеры сгорания газов. Когда газы выбрасываются в сторону Земли, тяга направлена вверх.
Величина тяги зависит от давления газов в камере и от площади выходного отверстия. Чем больше давление газов и площадь выходного отверстия, тем больше тяга двигателя. Чтобы ракета могла лететь вверх, необходимо, чтобы сила тяги превышала вес ракеты.
Представим теперь, что двигатель работает на такой высоте, где нет воздуха, а значит, нет и внешнего давления. Давление на внутренней поверхности камеры распределится так же, как и в первом случае (рис. 14, б). Исчезновение внешних сил давления приведёт к увеличению результирующей силы, направленной вперёд, хотя процесс горения в камере и распределение давления внутри неё совершенно не изменились. Таким образом, при отсутствии атмосферы ракетный двигатель развивает большую тягу, чем при наличии её. Это ценное свойство ракетного двигателя позволяет использовать его для исследования очень высоких слоёв атмосферы.
Ракетный двигатель работает и в атмосфере и в безвоздушном пространстве. Это не значит, что ракета может достигнуть любой высоты. Наибольшая высота подъёма ракеты зависит от совершенства двигателя и самой ракеты, а также от вида применяющегося топлива.
Ещё в 1903 году знаменитый русский учёный К. Э. Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этой работе Циолковский предложил применить для реактивного двигателя жидкое топливо как наиболее удобное для высотных полётов и дал первую схему ракеты с жидкостно-реактивным двигателем.
«В качестве исследователя атмосферы, писал Циолковский, предлагаю реактивный прибор, то-есть род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной».
В 1947 году ракета с жидкостно-реактивным двигателем достигла высоты 187 километров.
Ещё большей высоты подъёма можно достичь с помощью «ракетного поезда»составной ракеты. В работе «Космические ракетные поезда» в 1929 году Циолковский описал устройство предлагаемой им составной ракеты и подсчитал возможную высоту её подъёма.
Составная ракета представляет собой несколько отдельных ракет, соединённых одна с другой подобно вагонам поезда. Ракеты работают последовательно одна за другой. Ракета, использовавшая своё топливо, отсоединяется от поезда и падает на Землю. Составная ракета в полёте показана на рисунке 15.
Рис. 15. Ракетный поезд в полёте.
Составные ракеты уже используются для аэрологических наблюдений. В 1949 году был запущен ракетный поезд из двух ракет, из которых нижняя достигла высоты около 32 километров, затем отделилась от верхней и упала на Землю, а верхняя достигла высоты 400 километров.
Скорость перемещения ракеты в полёте определяется с помощью радиолокатора. Направление её движения поддерживается автопилотом. Если из-за порыва ветра или из-за неравномерности в работе двигателя она начнёт отклоняться от заданного курса, автопилот, воздействуя на рули, заставит её следовать по заданному курсу.
В метеорологической ракете полезный груз состоит из приборов для измерения температуры, давления и влажности воздуха, приспособления для взятия проб воздуха, фотокамеры для фотографирования Земли, приборов для исследования солнечного излучения и многих других.
Измерить температуру во время ракетного полёта значительно сложнее, чем у поверхности Земли. Обычный термометр, помещённый снаружи ракеты, будет показывать повышенную температуру, так как при полёте воздух перед ракетой сжимается и вследствие этого нагревается, нагретым будет и поток воздуха, обтекающий её. Кроме того, на термометр могут попасть лучи Солнца. Поэтому для измерения температуры во время ракетного полёта созданы специальные термометры. Принцип действия одного из них основан на том, что скорость распространения звука в воздухе изменяется с температурой. Прибор, измеряющий скорость распространения звука, позволяет определить температуру воздуха без всех тех погрешностей, которые сопровождают измерение температуры обычным термометром.
Во время полёта ракеты приборы автоматически делают измерения, которые могут передаваться по радио на Землю. Но передать можно далеко не всё. На высоте взята проба воздуха и её надо доставить в лабораторию. Чтобы при обратном спуске приборы не повредились, та часть ракеты, где они размещены, спускается на парашюте. Это может быть обычный шёлковый парашют в виде зонта или парашют в виде вращающихся лопастей. Встречный поток воздуха заставляет лопасти вращаться, при этом возникает подъёмная сила, замедляющая падение.
Итак, ракета поднимается выше всех других летательных аппаратов. Какие же новые сведения об атмосфере помог получить человеку этот неодушевлённый исследователь?
Учёные и до применения ракет предполагали, что температура в стратосфере сохраняется примерно неизменной только до некоторой высоты, а затем начинает повышаться. Исследовательские полёты ракет подтвердили это предположение. Оказалось, что после высоты в 3035 километров, где воздух охлаждён примерно до 55°, наблюдается повышение температуры, на высоте 5060 километров она достигает около +75° Цельсия. В более высоких слоях температура снова понижается и на высоте около 80 километров равна около 50°.
На высоте больше 100 километров температура воздуха снова возрастает и на высоте 250300 километров она доходит до +500600 градусов Цельсия.
Ракеты позволили собрать ценные сведения и о составе атмосферы. Долгое время учёные считали, что химический состав воздуха должен изменяться с высотой; предполагалось, что самый тяжёлый газ воздухакислороддолжен убывать с высотой быстрее всего, более лёгкийазотнесколько медленнее, а содержание водорода, который у поверхности Земли имеется в виде ничтожной примеси, должно непрерывно возрастать. Сейчас окончательно доказано, что состав воздуха практически не меняется с высотой.
Лишь в слабой степени выше 2030 км намечается относительное уменьшение кислорода сравнительно с азотом и заметное убывание тяжёлых газоваргона и углекислоты.
6. КАК ИЗУЧАЕТСЯ АТМОСФЕРА БЕЗ ПОДЪЁМА ПРИБОРОВ В ВОЗДУХ?
Наибольшая высота, на которой побывал человек22 километра. Ракеты достигали высоты 400 километров. Но и это не удовлетворило учёных.
Наука имеет в своём распоряжении средства, позволяющие составить представление о слоях атмосферы, ещё не достигнутых ни человеком, ни его приборами. В эти слои человек посылает звук, радиоволны. Используются и сведения, которые приносят на Землю световые лучи. Все эти косвенные методы изучения атмосферы пополняют наши знания и о низших слоях атмосферы. Рассмотрим их подробнее.
Звук. 9 мая 1920 года на Ходынском поле в Москве были взорваны артиллерийские склады. Взрыв был слышен в радиусе 55 км. Далее, в кольце шириной около 100 километров, простиралась «зона молчания», где взрыва совсем не было слышно. А на ещё большем расстоянии от Москвы взрыв снова был отчётливо слышен (рис. 16).