Превращение тепловой энергии в механическое движение

Обратимся к взрывчатым веществам. Источник их энергии есть химическое сродство. В общем они дают лишь теплоту, т. е. беспорядочное движение частиц (молекул). Нужны особые машины, чтобы полушть из такого движения (из теплогы) движение частиц согласованное, параллельное, направленное в одну сторону, одним словом, движение простое, видимое. Для реактивного аппарата надо, чтобы возможно большая часть тепловой или химической энергии частиц превратилась в их согласованное поступательное движение. Тогда исчезает теплота, а взамен ее мы получаем механическое движение или быстро движущуюся струю. Для этого употребляют длинную трубу. В одном конце ее происходит взрыв или горение, а из другого стремительно вылетают газы и пары. Стенки трубы имеют сбойство направлять в одну сторону беспорядочное (в разные стороны, колеблющееся) тепловое или химическое движение (незаметное, ощущаемое как теплота), превращать его в поток, подобный речному. Но необходимо, чтобы продукты горения были газообразны или парообразны (летучи) с возможно низкой температурой сжижения.

Если это так, то газ, расширяясь в трубе, все более и более охлаждается, теплота исчезает, заменяясь газовой струей. Если труба коротка, то газ вырывается из нее, имея высокую температуру, и энергия ее не будет использована (так бывает ь пушках и ружьях). После выхода из трубы газ продолжает расширяться и охлаждаться, но движение происходит в разные стороны, что для нас непригодно. Еще хуже, если взрыв происходит без трубы. Чересчур длинная труба выгодна, но она обременит своей массой ракету и потому тоже не годится.

При шестикратном расширении газов абсолютная температура понижается вдвое. Использование тепла будет в 50%. При расширении в 36 раз используется уже 75% и т. д. Итак, труба должна быть настолько длинна, чтобы газ при выходе расширился по крайней мере в 36 раз. Еще лучше—в 1300 раз. Тогда пропадает только 5% всей тепловой энергии. Совершенно непригодны вещества, дающие нелетучие продукты, например, окись кальция: энергия велика, но использовать ее трудно, так как нет газа (он есть только при очень высокой температуре, как на солнце), нет расширения. Энергия превращается в лучистую и теряется в эфире. Терпимы парообразные продукты, в особенности в смеси с газообразными. Например, при сгорании углеводородов с кислородом или с его азотными соединениями выделяются газы' (углекислый, азот) и пары воды. При сильном расширении прежде всего сжижаются в капли пары воды. Но в присутствии газов они передают свою теплоту газам, которые и используют их энергию. Так же может быть использована и энергия, выделяемая при замерзании воды. Абсолютная температура взрывающихся газов в первый момент должна бы достигать 10 000°, но при такой температуре только малая часть элементов находится в соединении, остальная — разложена. Первая, сложная часть, только при расширении своем и понижении температуры постепенно возрастает. Поэтому температура взрывающихся веществ на деле едва ли превосходит 3000°. На этом основании в табл. 5 мы выражаем числами не степень тепла, а степень потенциальной энергии. Впрочем, начиная с 1000—2000, это уже будет приблизительная температура.

Таблица 5.

Использование теплоты в трубе.

Как видно, даже при использовании в 95% температура еще составляет 352° Ц. При ней пгры в сжижение притти не могут, л потому не используется при таком расширении даже скрытая теплота сжижения. Значит, выгодно дальнейшее расширение, возможное лишь в пустоте. Тогда труба еще должна удлиниться.

Взрывание при высоком давлении особенно необходимо во время полета в атмосфере. Взрывание не может давать давление, меньшее атмосферного, ибо в противном случае не будет расширения и потока. Но и при давлении много большем использование будет тем меньше, чем ниже давление в сравнении с воздушным. Если, например, давление газов в б раз больше воздушного, то использование не может быть больше.

• 50%. Если давление газов в 36 раз больше давления среды, то использование меньше 75% (табл. 5).
• •В пустоте — другое дело. Там упругость взрывающиеся газов может быть мала, только труба будет шире, вес же ее останется почти без изменения. Мы не теряем в использовании теоретически ни при каком, самом малом, давлении взрыва, если только ракета в пустоте. Итак, выходит, что в начале полета снаряда давление в трубе должно быть очень высокое _%з сравнении с атмосферным; затем по мере поднятия эго давление может пропорционально понижаться, а в эфире, вне воздуха, может быть как угодно слабо. На практике это мало применимо, так как труба должна быть для этого то узкой с толстыми стенками, то широкой с тонкими стенками.

Надо выбрать среднее давление, превышающее, конечно, атмосферное, и его придерживаться до получения устойчивого положения, подобного положению небесных тел. После этого давление может быть произвольно малым.

Давление одних и тех же взрывных веществ может изменяться от 5000 am до желаемой малой величины. Дело в том, что в одной и той же трубе сила взрыва зависит от тщательности смешения элементов горения. Смешение. может быть так совершенно, так тесно, что взрыв будет почти моментальный. И, наоборот, он может быть медленным, как горение при плохом смешении, когда части соединяющихся веществ очень крупны. Этим путем и регулируется давление. Так, более или менее сильное действие пороха зависит от его приготовления.

При высоком давлении использование энергии велико, но требуется неодолимо большая работа для вталкивания масс во взрывную трубу. Поэтому надо по возможности, не очень теряя в использовании, понизить максимальное давление в трубе. В. температуре мы тут не выигрываем. Она неизбежно высока, именно 3000—*4000° Ц. Искусственное охлаждение наружных стенок трубы необходимо.

Мы можем сейчас указать на потребный минимум давления. Он определяется влиянием атмосферы, ее давлением. Если начать полет с высоких гор, то атмосферное давление можно принять в 0,3 кг/см². Это составляет около трети давления на уровне океана. Значит, при вылете из трубы газы не должны иметь меньше 0,3 кг/см². В начале же трубы давление должно быть по крайней мере в 36 раз большее (использование 75%). Итак, максимальное давление газов, но должно быть менее 10 am. В нижних же слоях — не менее 30 am. Во всяком случае можно ограничиться 100 am.

Рассчитаем величину площади основания взрывной цилиндрической трубы при этом давлении. Если ракета весит 1 т, а со взрывным материалом 5 т, если давление на нее ог взрывания в 2 раза превышает ее вес, то надо получить давление на дно трубы в 10 т. Площадь основания трубы будет равна 100 см². Диаметр круглой площади основания составит 11,3 см². Мы уже говорили, как получить низкое давление: чем крупнее элементы взрыва, т. е. чем хуже они размешаны, тем взрыв слабее. Все же в замкнутом пространстве в конце концов давление достигнет огромной величины. Но, во-первых, труба широка и открыта, во-вторых, размешивание таковЬ, что давление получается, какое нам нужно. Повторяю, что мы нисколько не теряем энергии горения от слабого давления. При беспорядочном взрыве (взрыве частном в общей массе) происходит охлаждение и бурное движение (порыв). Но движение, не совершая работы, тут же превращается в теплоту, и температура ьосстановляется. Физики хорошо эго знают. Если использование энергии и будет хуже при малом давлении, то виновата в этом атмосфера. Она не позволяет взрывчатым веществам расширяться неограниченно. Но зато при большом давлении труба будет короче, что дает экономию веса. В пустоте, увеличивая длину трубы, мы можем довести использование энергии почти до 100%; но длина трубы будет тогда обременительно велика. Я много раз доказывал, что работа вталкивания взрывных материалов в трубу довольно велика и при наибольшем давлении — неодолима. Для избежания этою можно сделать так, чтобы давление в начале трубы периодически менялось, например, от 200 am до нуля и от нуля до 200 am. Оно будет волнообразно. Среднее давление может быть в этом случае очень велико, лишь бы перенес его человек. Взрывчатые вещества тут должны вталкиваться в моменты слабейшего давления, периодически. Тогда работа вталкивания будет ничтожна, а использование теплоты или химического сродства гораздо больше. В воде же толчки не отразятся вредно на человеке.