1.1. Короткий історичний огляд розвитку ракетної зброї

 

Космонавтика (від грецького κοσμος) – Всесвіт і υαυτικη - мистецтво мореплавання процес дослідження космічного простору за допомогою автоматичних і керованих космічних апаратів, а також самі польоти в космічний простір.

Сам термін був запропонований одним із піонерів радянської ракетної техніки Г. Е. Лангемаком (1898–1938).

Космічними досягненнями, що широко використовуються сьогодні великою кількістю галузей і напрямків фундаментальної науки, маємо бути вдячні перш за все тим ученим, які зробили вклад у розвиток теорії і практики ракетобудування.

Теорія польоту ракет має визначну історію і її здобутки базуються на великій кількості наукових досліджень, які тією чи іншою мірою стосуються даної галузі. Насамперед це питання аеродинаміки, закони механіки, теорія автоматичного регулювання, теорія коливань, метеорологія, геодезія та ін.

Роботи з дослідження механіки матеріальних систем, сил і моментів, що діють на літальні апарати, відомі ще з середини ХIX століття, коли на науковому рівні почали розглядати основи ракетної техніки і перша спроба була зроблена К. І. Константиновим (1817–1871).

Піонером теоретичних основ ракетної техніки є М. І. Кибальчич (1853–1881), заслугою якого слід вважати те, що він довів можливість використання ракето динамічного принципу створення підйомної сили, що виключає повітря, як опорне середовище. У своїх роботах М. І. Кибальчич порушив цілу низку проблем будування ракетної техніки, а саме, конструкція ракет та принципи управління ракетою. Він також зробив проект космічного апарату для польоту людини.

Друга половина XIX століття характерна прогресом розвитку цілої низки наук, які теж пов’язані з подальшим розвитком ракетної техніки та галузей науки з теоретичного обґрунтування проблемних питань.

Так, наприклад, М. Є. Жуковський (1847–1921) зробив значний вклад у теорію аеродинамічного принципу руху. Він є автором ряду положень теорії польоту балістичних ракет.

Заснований під керівництвом М. Є. Жуковського та    С. О. Чаплигіна (1869–1942) ЦАДІ (Центральний аеродинамічний інститут) став каталізатором у подальшому розвитку аеродинаміки як науки.

Суттєвих здобутків було досягнуто в аеродинаміці російськими вченими М. О. Забудським (1853–1917) та         М. В. Маєвським (1823–1892), особливо в питаннях «Зовнішньої балістики».

З питань систем управління польотом ракети суттєвий внесок зроблено І. О. Вишнєградським (1831–1895) та        О. М.Ляпуновим (1857–1918).

У кінці XIX на початку XX століття вагомі результати з питань теорії та конструкції ракетобудування та управління польотом ракет досягли вчені Франції, США, Німеччини, Австрії. Так, німецький учений Герман Оберт (1894–1989) у 1920 р. у своїх працях виклав принципи міжпланетних польотів.

Американський учений Робер Годдард (1882–1945) у 1923 р. почав розроблення рідинного ракетного двигуна, працездатний екземпляр якого було створено в кінці 1925 р.

У Німеччині питаннями ракетобудування займалася Німецька компанія міжпланетних сполучень, і вже 14.3.1931 р. здійснили запуск ракети з двигуном, що працює на рідинному паливі. Вагомий внесок у розвиток ракетобудування зробив Вернер фон Браун (1912–1977), який почав працювати в цій компанії з 1932 р. У 1936 р. він був призначений технічним директором і завдяки його безпосередній участі 03.10.1942 р. був здійснений успішний запуск ракети А-4 з дальністю польоту 320 км, а з 1944 р. почалось її бойове застосування під назвою V-2.

Слід відмітити таких учених, як: Робер Есно-Пельтрі (1881–1957) (Франція), який розглядав і досліджував питання теорії ракетної техніки, Е. Зенгер (1905–1964) (ФРГ) та ін.

У розробленні теорії руху велика заслуга належить професору І. В. Мещерському (1859–1935), яким уперше засновано новий розділ теоретичної механіки – «механіка тіл змінної маси», до яких відносять і ракети. Наприкінці XIX століття у своїй роботі «Динаміка точки змінної маси» він уперше вивів основне рівняння руху тіла змінної маси. На основі цього рівняння та аналізу вертикального руху ракети І. В. Мещерський вивів «рівняння вертикального польоту ракети». Це рівняння та інші положення, що були розроблені І. В. Мещерським, виконані для визначення найважливіших закономірностей польоту ракет.

Засновником теорії реактивного руху – «Ракетодинаміки і космонавтики» вважається Костянтин Едуардович Ціолковський (1857–1935).

Перші наукові дослідження К. Е. Ціолковського відносять до 1880–1881 р. Не знаючи про вже зроблені відкриття, він написав роботу «Теорія газів», у якій виклав основи кінетичної теорії газів.

З 1896 р. К. Е. Ціолковський систематично займався теорією руху реактивних апаратів. Думки про використання ракетного принципу в космосі висловлювалися К. Е. Ціолковським ще в 1883 р., а закінчив наукові дослідження теорії реактивного руху в 1896 р.

К. Е. Ціолковський вивів формулу (вона одержала назву «формула Ціолковського»), що встановила спiввiдношeння між:

- швидкістю ракети в будь-який момент;

- швидкістю витікання газів із сопла;

- масою ракети;

- масою підривних речовин.

У 1903 р. він опублікував книгу «Дослідження світових просторів реактивними приладами», де вперше довів, що єдиним апаратом, здатним здійснити космічний політ, є ракета. У цій книжці він заклав основи теорії ракет і рідинного ракетного двигуна. У даній праці К. Е. Ціолковський:

- довів неможливість виходу в космос на аеростаті або за допомогою артилерійського обладнання;

- вивів залежність між вагою палива й вагою конструкцій ракети для подолання сили земного тяжіння;

- висловив ідею бортової системи орієнтації за Сонцем або іншими небесними світилами;

- проаналізував поводження ракети поза атмосферою, у середовищі, вільному від тяжіння;

- вирішив питання посадки космічного апарата на поверхню планет, позбавлених атмосфери.

У 1911 р. опубліковано другу частину праці «Дослідження світових просторів реактивними приладами».       К. Е. Ціолковський досліджує питання з подолання сили земного тяжіння, визначає швидкість, необхідну для виходу апарата в Сонячну систему «друга космічна швидкість» і час польоту.

Таким чином, на межі ХІХ-ХХ століть К. Е. Ціолковський першим у світі науково вирішив основні питання теорії польоту та заклав теоретичні основи сучасної ракетної техніки і космічних польотів.

Багато технічних та конструктивних ідей К.Е. Ціолковського запроваджено у сучасних ракетах усього світу. На роботах К. Е. Ціолковського зростало ціле покоління радянських учених зі світовим іменем, таких, як: Ф. А. Цандер (1887–1933), Ю. В. Кондратюк (1897–1942), М. І. Тихомиров (1860–1930), В. А. Артем'єв (1885–1962), Г. Е. Лангемак, В. П. Глушко (1908–1989), М. К. Тихонравов (1900–1974), Ю. О. Победоносцев (1907–1973), С. П. Корольов (1906–1966) та ін. Завдяки цим ученим теоретичні основи ракетної техніки набули не тільки подальшого розвитку, а й широкого практичного використання. Апогеєм цього були великі досягнення Радянського Союзу у космічній галузі та у розробленні і створенні сучасних бойових ракет та реактивних снарядів.

Становлення космічної галузі в Україні розпочалося в 1937 р. зі створенням у Харківському авіаційному інституті Харківської реактивної групи під керівництвом Г. Проскури, яка здійснила запуск великої стратосферної ракети біля Харкова.

У 1951 р. за рішенням Радянського уряду на базі автомобільного заводу, що будувався у Дніпропетровську, розміщено завод № 586 для виробництва радянських ракет. Головним конструктором був призначений М. К. Ягель (1911-1971). Дана установа в 1966 р. перетворена в Південний машинобудівний завод, а конструкторське бюро – в конструкторське бюро «Південне». У підготовці запуску першого супутника Землі брали участь такі підприємства України, як «Комунар», «Арсенал», «Моноліт», Євпаторійський космічний центр та інші.

Наприкінці цього екскурсу в історію розвитку сучасної теорії польоту і теорії ракетної техніки необхідно навести прізвища вчених, що працювали і працюють над складними питаннями теорії польоту, таких, як: А. А. Космодем'янський, А. Є. Охоцимський (1921), Д. А. Погорєлов, М. М. Баутін, М. М. Красовський (1924), М. М. Моісеєв (1917), А. А. Лебедев та ін.

Сучасні знання з теорії польоту літальних апаратів формувалися завдяки досягненням таких наук, як небесна механіка, астрономія, аеродинаміка, теоретичні основи ракетодинаміки та теорії оптимального управління. Крім того, теорія польоту є подальшим розвитком і практичним додатком динаміки твердого тіла. Вона розглядає політ різних літальних апаратів: літаків, ракет та реактивних снарядів, супутників Землі, артилерійських снарядів, авіаційних бомб тощо.

Теорія польоту займається вирішенням чотирьох основних завдань.

Перше завдання полягає у розрахунку траєкторії руху ракет за раніше визначеними даними. Для вирішення цього завдання необхідно, по-перше, правильно визначити сили, що діють на ракету та реактивний снаряд у польоті, та, крім того, знайти величини цих сил у кожний момент часу.

Це завдання дуже складне, бо кількість сил, що діють на ракету в польоті, характер їх змін у процесі руху, а також кількість рівнянь, що описують рух ракети, залежить від призначення ракети, її конструкційних особливостей, способу стабілізації у польоті та особливостей її траєкторії руху.

Друге завдання полягає у визначенні оптимальних режимів руху ракети та оптимальної траєкторії її польоту.

Третє завдання теорії польоту полягає у стабілізації літальних апаратів у польоті та визначенні умов щодо їх управління.

Четверте завдання полягає у вивченні факторів, що впливають на розсіювання траєкторій ракет, та у розгляді способів зменшення цього розсіювання й підвищення точності пусків.

Теорія польоту спирається на математику і механіку, вона тісно пов'язана з теорією автоматичного регулювання, теорією коливань, метеорологією та геодезією. У свою чергу, теорія польоту повинна визначити всі основні параметри траєкторії польоту, після чого можна було б визначати необхідні характеристики системи управління ракети.

Траєкторія польоту дає підстави для розроблення правил та способів пуску ракет, підготовки вхідних даних, а також обґрунтовує необхідність внесення поправок до цих даних. Методи теорії польоту використовуються під час розрахунків характеристик руху за даними траєкторних спостережень під час випробувальних пусків.

Складним питанням, що потребує окремого розгляду, є теорія польоту ракети як пружного тіла та теорія польоту ракети з урахуванням руху рідинного наповнення ракети (пального). У цьому випадку теорія польоту наближається до теорії коливань.

При вирішенні завдань теорії польоту велика кількість діючих факторів з малою кількістю припущень може враховуватися під час розрахунку цих завдань на електронно-обчислювальних машинах.

Достатньо універсальним, але складним і трудомістким є метод чисельного інтегрування за допомогою ЕОМ. Тільки невелику кількість порівняно простих завдань теорії польоту можна вирішити за допомогою табличного і аналітичного методів.

При вивченні «Основ теорії польоту і конструкції ракет» основна увага приділяється найбільш характерним особливостям і закономірностям завдань теорії польоту та систематизації відомих методів їх вирішення. Знання цих методів та закономірностей дає можливість студентам ознайомитися з основними завданнями теорії польоту.

Під час викладення матеріалу не буде різниці в термінах «ракета» та «реактивний снаряд», оскільки буде розглядатися тільки теорія польоту цих тіл.

Під терміном «ракета» зазвичай розуміють усі види ракет, однак у тих випадках, коли термін «реактивний снаряд» стосується конкретного зразка виробу, він у матеріалах лишається без змін. При розгляді загальної теорії руху без урахування конструктивних особливостей того чи іншого класу ракет використовують термін «літальний апарат».