Мы живём в замечательное время, которое навсегда войдёт в историю неразрывно связанным с именем Иосифа Виссарионовича Сталина. Под руководством коммунистической партии и её вождя товарища Сталина советские люди построили социализм и осуществляют переход к коммунизму.

Товарищ Сталин учит:

«Для того, чтобы подготовить действительный, а не декларативный переход к коммунизму, нужно осуще­ствить по крайней мере три основных предварительных условия.

1. Необходимо, во-первых, прочно обеспечить... непре­рывный рост всего общественного производства с пре­имущественным ростом производства средств произ­водства...

2. Необходимо, во-вторых, путём постепенных пере­ходов, осуществляемых с выгодой для колхозов и, следовательно, для всего общества, поднять колхозную собственность до уровня общенародной собственности, а товарное обращение тоже путём постепенных перехо­дов заменить системой продуктообмена...

3. Необходимо, в-третьих, добиться такого культур­ного роста общества, который бы обеспечил всем членам общества всестороннее развитие их физических и ум­ственных способностей, чтобы члены общества имели возможность получить образование, достаточное для того, чтобы стать активными деятелями общественного развития, чтобы они имели возможность свободно выби­рать профессию, а не быть прикованными на всю жизнь, в силу существующего разделения труда, к одной какой - либо профессии...».

Осуществление столь величественной программы тре­бует широкого внедрения электричества во все отрасли народного хозяйства СССР. В 1950 году по инициативе товарища Сталина Совет Министров СССР принял реше­ния о строительстве грандиозных гидростанций и гидро­технических сооружений на Волге, Днепре, Дону и Аму - Дарье. Народ назвал эти стройки Великими ста­линскими стройками коммунизма. Строи­тельство величественных гидростанций и каналов, кото­рое с энтузиазмом ведёт наш народ, означает крупный шаг по пути создания материально-технической базы ком­мунистического общества и дальнейшего подъёма благо­состояния масс. Новые гидроэлектростанции будут распо­лагать мощностью, превышающей 4200 тысяч киловатт, что обеспечит ежегодную выработку электроэнергии в раз­мерах около 23 миллиардов киловатт-часов. 250 милли­ардов киловаттчасов — такова перспектива электроэнер­гетики Советского Союза на ближайший исторический период после завершения этих строек.

За пять лет будет построена и введена в действие самая мощная в мире Куйбышевская гидроэлектро­станция. Таковы строительные возможности страны социализма. Крупнейшие американские гидроэлектро­станции на реках Колумбии и Колорадо, значительно уступающие Куйбышевской и Сталинградской по своим показателям, строились несколько десятилетий, но до сих пор ещё не введены в эксплуатацию на полную мощность. В этих фактах воочию видно преимущество социалистиче­ского общественного строя перед капиталистическим.

10,1 миллиарда киловатт-часов электрической энергии будут давать ежегодно новые волжские электростан­ции промышленности и коммунальному хозяйству сто­лицы нашей Родины — Москвы. Энергосистема Москвы будет величайшей в мире. 5,2 миллиарда киловатт-часов будут поступать в районы Поволжья, 1,2 миллиарда киловатт-часов — в районы Центрально-Чернозёмной области.

Этот огромный поток энергии будет передаваться при напряжении в 400 тысяч вольт на расстоянии до 1 ООО ки­лометров. До сих пор в технике не существовало линий электропередач при напряжении, большем чем 287 тысяч вольт.

На Днепре строится Каховская гидроэлектростанция мощностью в 250 тысяч киловатт. Она будет вырабатывать 1 миллиард 200 миллионов киловатт-часов в год. Её основ­ное назначение — обеспечить энергией систему ороси­тельных и обводнительных сооружений на площади свыше 3 миллионов гектаров на Украине и в Крыму.

8 миллионов гектаров безводных земель возродит к жизни Главный Туркменский канал, который пройдёт от Аму-Дарьи до Красноводска (1100 км). Энергию для орошения и обводнения этих земель, для сельского хо­зяйства и промышленности в этих районах дадут гид­роэлектростанция, строящаяся на Аму-Дарье, возле Тахиа-Таш, и две гидроэлектростанции, возводимые на трассе канала. Общая мощность этих электростанций 100 тысяч киловатт.

Гиганты гидроэнергетики — Куйбышевская и Сталин­градская электростанции — будут вырабатывать в 18 раз больше электроэнергии, чем все гидроэлектростанции Англии.

В июле 1952 года были сданы в эксплуатацию пер­венцы Великих сталинских строек — Волго-Донской судо­ходный канал им. В. И. Ленина и Цимлянская гидроэлек­тростанция. Канал, проложенный от Сталинграда до Калача, замыкает сеть судоходных путей, связывающих все моря Европейской части Советского Союза в единую транспортную систему. Одновременно решается проблема обеспечения водой засушливых земель в Ростовской и Сталинградской областях.

Руководимые коммунистической партией, руководи­мые гением Сталина советские люди меняют облик Земли. С помощью электрической энергии, с помощью электри­ческих машин в невиданно короткие сроки возводятся но­вые стройки. Пустыни и степи получают воду. На засуш­ливых сейчас землях раскинутся плодородные поля, вы­растут сады, поднимутся леса. Расширение электроэнер­гетической базы приведёт к дальнейшему росту промыш­ленности, к ещё большей механизации работ, к повыше­нию производительности труда. А труд рабочего в условиях высокой электромеханизации, автоматики и теле­механики, труд колхозника при электрифицированном сельском хозяйстве — это уже не обычный физический труд. Изобилие материальных и культурных благ создаст все возможности для всестороннего развития творческих запросов советских людей. Так постепенно социализм перерастает в коммунизм.

По примеру Советского Союза проводится электрифи­кация народного хозяйства стран народной демократии, ставших на путь строительства социализма. Осущест­вляются пророческие слова великого Ленина, сказанные в 1920 году на VIII Всероссийском съезде Советов: «...если Россия покроется густой сетью электрических станций и мощных технических оборудований, то наше коммунисти­ческое хозяйственное строительство станет образцом для грядущей социалистической Европы и Азии».

Новый грандиозный план развития СССР разработан в директивах XIX съезда нашей партии. Этот план предусматривает повышение общего промышленного про­изводства за пятилетие примерно на 70 процентов. Про­изводство электроэнергии в 1955 году увеличится пример­но на 80 процентов по сравнению с 1950 годом. Вдвое возрастёт общая мощность электростанций, примерно втрое — мощность гидроэлектрических станций.

В пятой пятилетке вступят в строй величайшая в мире Куйбышевская ГЭС и ряд других гидроэлектростанций общей мощностью в 4 миллиона киловатт. Широко раз­вернётся строительство Сталинградской и Каховской ГЭС; начинается строительство новых гидроэлектростанций на больших реках — Волге, Каме, Иртыше, Немане и в дру­гих местах; расширяется строительство теплоэлектро­станций, а также строительство небольших и сред­них электростанций для электроснабжения городов и районов.

Директивы XIX съезда партии предусматривают меро­приятия по дальнейшему внедрению автоматизации и теле­механизации в производство и распределение электро­энергии, по широкой теплофикации городов и промышлен­ных предприятий, по более полному удовлетворению растущих потребностей народного хозяйства и бытовых нужд населения в электроэнергии.

Своей свободой, возможностью жить, творить, расти, познавать новое, покорять силы природы мы обязаны великой партии Ленина — Сталина.

Опираясь на новейшие достижения науки и техники, смело преобразуя природу своей социалистической Родины, советский народ, руководимый коммунистической партией, идёт к победе коммунизма, указывая путь к коммунизму народам всего мира. Вся эта грандиозная созидательная работа направляется и вдохновляется вели­чайшим гением человечества Иосифом Виссарионовичем Сталиным.

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

Вып. 20. Проф. Б. Б. КУДРЯВЦЕВ. Движение молекул. Вып. 21. Г. Н. БЕРМАН. Счёт и число. Вып. 22. О. А. РЕУТОВ. Органический синтез. Вып. 23. К. А. ГЛАДКОВ. Дальновидение. Вып. 24. Н. Г. НОВИКОВА. «Необыкновенные» небесные Явления.

Вып. 26. Н. В. КОЛОБКОВ. Грозы и бури. Вып. 26. А. И. ПОГУМИРСКИЙ и Б. П. К АВЕРИН. Производст­венный чертёж. Вып. 27. Проф. Р. В. КУНИЦКИЙ. День и ночь. Времена года. Вып. 28. Е. В. БОЛДАКОВ. Жизнь рек. Вып. 29. А. В. КАРМИШИН. Ветер и его использование. Вып. 30. Г. А. ЗИСМАН. Мир атома. Вып. 31. В. С. СУХОРУКИХ. Микроскоп и телескоп. Вып. 32. Н. В. ГНЕДКОВ. Воздух и его применение. Вып. 33. А. Н. НЕСМЕЯНОВ. Меченые атомы. Вып. 34. В. Д. ОХОТНИКОВ. В мире застывших звуков. Вып. 35. С. Г. СУВОРОВ. О чём говорит луч света. Вып. 36. Г. В. БЯЛОБЖЕСКИЙ. Снег и лёд. Вып. 37. М. С. ТУКАЧИНСКИЙ. Как считают машины. Вып. 38. С. Д. КЛЕМЕНТЬЕВ. Управление на расстоянии. Вып. 39. Л. К. БАЕВ и И. А. МЕРКУЛОВ. Самолёт-ракета. Вып. 40. Д. О. СЛАВИН. Свойства металлов. Вып. 41. Проф. В. П. ЗЕНКОВИЧ. Морской берег. Вып. 42. Проф. С. Р. РАФИКОВ. Пластмассы. Вып. 43. В. А. ПАРФЕНОВ. Крылатый металл. Вып. 44. В. А. МЕЗЕНЦЕВ. Электрический глаз. Вып. 45. Б. Н. СУСЛОВ. Вода.

Вып. 46. И. А. ВАСИЛЬКОВ и М. 3. ЦЕЙТЛИН. Кладовые Солнца.

Вып. 47. С. Д. КЛЕМЕНТЬЕВ. Электронный микроскоп. Вып. 48. Э. И. АДИРОВИЧ. Электрический ток.

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

А. В. АЛЕКСАНДРОВ

У РАНОВАЯ

Счетчики невидимых частиц и излучений

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

А. В. АЛЕКСАНДРОВ

СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

Под редакцией члена-корреспондента академии наук ссср

К. Б. ЧМУТОВА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Москва 1958

16-2-1

ВВЕДЕНИЕ

Р

Ано утром, не открывая глаз, вы протягиваете руку

К стоящему на тумбочке приемнику, поворачиваете руч­ку — и вашу комнату заполняют звуки музыки. Откуда они взялись? Это поток радиоволн, излучаемый передаю­щей радиостанцией и принятый антенной вашего радио­приемника. В приемнике они превращались в звуковые волны.

Вы открываете глаза и видите, что ваша комната залита ярким светом солнечного утра. Откуда этот свет? Это мощный поток лучистой энергии — волн той же при­роды, что и радиоволны, но более коротких, посылаемых нам Солнцем.

Вы раскрываете окно, смотрите на восход Солнца и любуе­тесь тем, как меняются цвета от голубых тонов через нежно-розовый до яркого диска Солнца, медленно под­нимающегося из-за острых зубцов темно-зеленого леса. Вы наблюдаете лучи видимого света различной длины волны: от коротких — голубых, до красных — длинных.

В воскресное утро вы решили немного позагорать на берегу тихой речки. И вновь к вам приходит лучистая энергия Солнца с еще более короткими волнами — ультра­фиолетовым излучением, невидимым для наших глаз.

З

Вечером вы включаете телевизор и на экране видите знакомое лицо диктора. Это люминофор (светящийся слой) кинескопа возбуждается ударами электронов и излучает видимый свет. Наконец, наступает ночь. И во тьме нагре­тые за день предметы, земля и здания излучают тепловые лучи с более длинной волной, чем у видимых лучей. Эти лучи называются инфракрасными.

1*

И всюду, где бы ни находился человек, он окружен элек­тромагнитными излучениями, различающимися между со­бой только длиной волны.

Чем меньше длина волны излучения, тем большей про­никающей способностью оно обладает.

В конце прошлого столетия были открыты излучения с очень малыми длинами волн. К ним относятся рентгенов­ское излучение и излучения радиоактивных веществ: гам - ма-лучи, быстродвижущиеся альфа-бета-частицы и косми­ческие лучи, представляющие собой также быстрые час­тицы. Человек непрерывно облучается всепроникающим космическим излучением.

Ученые разработали много различных приемников элек­тромагнитных излучений, работающих на принципе исполь­зования их различных свойств. Для приема тепловых (инфракрасных) лучей применяются различные термо­элементы: спаи двух разнородных металлов, в которых под действием тепла возникает электродвижущая сила; термо - и фотосопротивления, у которых под действием тепла и ви­димого света изменяется электрическое сопротивление; фо­тоэлементы — электровакуумные приборы, в которых под действием света протекает электрический ток, и много других.

Излучения со сравнительно малыми длинами волн — ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма-лучи и другие — по-разному воздействуют на встречающиеся на их пути тела. Но все они обладают одним свойством — освобождать из твердых, газообразных и жидких тел электроны. Ученые использовали это свойство для обнаружения и изучения невидимых лучей. Для них тоже были изобретены различ­ного вида приемники. Об одном из них мы и расскажем в этой брошюре. Мы расскажем о том, как работает и где применяется газоразрядный счетчик проникающих излу­чений.

I. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА Как устроен атом

Цтобы понять работу газоразрядного ионизационного ^счетчика, необходимо познакомиться со строением ве­щества.

Всякое вещество, будь то газообразное, жидкое или твердое, состоит из мельчайших материальных частиц — атомов, долгое время считавшихся неделимыми[2]). Размеры и вес атомов чрезвычайно малы. Так, например, атом железа весит 0,000 ООО ООО ООО ООО ООО ООО 093 128 грамма, а его радиус составляет всего лишь 0,000 000 0127 см. Но несмотря на свою ничтожную величину, атом имеет слож­ное устройство.

По современным представлениям в центре атома распо­ложено атомное ядро. Размер ядра примерно в 100 000 раз меньше размера самого атома, но основной вес послед­него сосредоточен именно в этом ядре. Плотность всех ядер приблизительно одинакова и выражается она огром­нейшим числом порядка 100 000 000 000 000 гсмг (граммов в кубическом сантиметре), т. е. один кубический сантиметр ядерного вещества должен был бы весить около 100 мил­лионов тонн. Ядро в свою очередь не является элементарной, неделимой частицей, а состоит из электрически незаряжен­ных (нейтральных) частиц — нейтронов — и положительно заряженных частиц — протонов. В целом электрический заряд ядра положителен.

Вокруг ядра на огромных по сравнению с его разме­рами расстояниях движутся с большими скоростями, около 2000 километров в секунду, материальные частицы — элект­роны. Масса электрона в 1835 раз меньше массы атома са­мого легкого химического элемента— водорода. Электроны заряжены отрицательным электричеством. Заряд их равен 0,000 000000 000 000 000 16 кулона или 0,000 000 000 48 абсолютных электростатических единиц[3]). Насколько эта величина мала, можно судить по тому, что для создания тока силой в 1 ампер по проводнику должно в каждую се­кунду протекать 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Число электронов в каждом атоме равно числу поло­жительных зарядов в ядре, то есть числу протонов. Таким образом, атом в целом — электрически нейтральная час­тица.

Известно, что две частицы, заряженные разноименным электричеством, притягиваются. Тем не менее отрицатель­ные электроны, притягиваемые положительным ядром, не падают на него. Это происходит потому, что, обладая огромными круговыми скоростями, они стремятся отор­ваться от ядра и тем самым уравновешивают силу при­тяжения.

В 1869 году русским ученым Д. И. Менделеевым был открыт один из важнейших законов природы — закон пе­риодичности свойств химических элементов. Вы, вероятно, уже читали, что Менделеев расположил все элементы в таб­лице в строгом порядке, определяемом их химическими свойствами. Так вот, теперь мы знаем, что число электро­нов в атоме равно порядковому номеру элемента в этой таблице. Например, на первом месте таблицы расположен химический элемент водород. Это значит, что атом водорода состоит из ядра, вокруг которого движется один электрон. Химический элемент аргон занимает восемнадцатое место, у него 18 электронов; неон имеет порядковый номер 10; значит, атом неона содержит 10 электронов.

Электроны вокруг ядра располагаются слоями, которые называют оболочками. Эти оболочки обозначены буквами латинского алфавита, начиная с буквы /(, которой обо­значена ближайшая к ядру оболочка (рис. 1). За ней идет L-оболочка, далее М-оболочка и т. д. Каждая оболочка в свою очередь состоит из подоболочек. /(-оболочка состоит из одной s-подоболочки, L-Оболочка — из двух: 2S и 2р-под - оболочек; TW-оболочка — из трех: 3s-, Зр- и &/-подоболочек; iV-оболочка — из четырех: 4S-, 4р-, 4D- и ^/-подоболочек, О-оболочка — также из четырех: 5s-, 5р-, 5D- и 5/-подобо - лочек. На каждой оболочке может располагаться строго определенное число электронов. Так, на /(-оболочке у ато­ма любого элемента может быть расположено не более двух электронов, на L-оболочке — не более восьми, на М-обо­лочке — не более восемнадцати и т. д. Внутри оболочек на подоболочках может располагаться также строго опре­деленное число электронов.

Электроны, движущиеся вокруг ядра по орбитам, опре­деляемым соответствующими подоболочками, обладают оп­ределенным запасом энергии. Чем ближе к ядру распола­гается электрон, тем меньше запас его энергии и тем проч­нее он связан с ядром; и наоборот, чем дальше от ядра находится электрон, тем больше запас его энергии и тем слабее он удерживается положительным зарядом ядра. Следовательно, каждой оболочке соответствует определен­ный запас энергии, соответствующий как бы определенному уровню, на котором может находиться электрон в спокой­ном, т. е. нормальном, состоянии. Поэтому подоболочки принято называть энергетическими уровнями.

Если число электронов в атоме таково, что оно не может образовать законченную наружную оболочку, то атом такого элемента является химически активным, т. е. он может вступать в реакцию с атомами других элементов, имеющих также незаконченную (неукомплектованную) на­ружную оболочку. Например, водород имеет один электрон,

Расположенный на /(-оболочке. А законченная /(-оболочка должна содержать два электрона. Поэтому водород может вступать во взаимодействие с другим элементом и образо­вать устойчивую заполненную двухэлектронную К-обо­лочку.

Атомы, имеющие внешнюю оболочку, полностью укомп­лектованную полагающимся числом электронов, являются химически нейтральными, или, как их называют, инерт­ными, так как они не могут ни принять электрон, ни от­дать его другому атому. К таким элементам относятся инертные (или, как их иногда называют, благородные) газы: гелий (порядковый номер 2) с заполненной /(-оболочкой, неон (порядковый номер 10) с заполненными К и L-оболоч- ками, аргон (порядковый номер 18), криптон (порядковый номер 36) и т. д. Устойчивыми оболочками являются только те, которые содержат либо два (как у гелия), либо восемь (как у неона, аргона, криптона, ксенона и радона). У всех этих элементов полностью заполнены s - и р-подоболочки.

Электроны, расположенные на внешней оболочке, при­нято в химии называть валентными, так как они опреде­ляют взаимодействие с другими атомами, а в физике — оптическими. Последний термин станет ясным из даль­нейшего изложения.

Молекулы

В природе химические элементы встречаются как в виде отдельных атомов (чаще всего это атомы инертных газов), так и в виде молекул. Устройство молекул, особенно со­держащих большое число атомов, чрезвычайно сложно, и теория строения молекул, несмотря на большие успехи последних двух десятилетий, во многих отношениях еще не закончена. Поэтому ограничимся рассмотрением простей­ших, а именно двухатомных молекул.

Некоторые элементы в естественных условиях не су­ществуют в виде атомов, а объединяются в прочные двух­атомные молекулы и превратить их из молекулярного в атомарное состояние довольно трудно. Примером таких прочных и простейших молекул может служить водород. Прочность молекулы объясняется соответствующим строе­нием электронных оболочек. Силы, удерживающие атомы в молекуле, вызваны взаимодействием внешних (валент­ных) электронов. Электроны внутренних оболочек на мо­лекулярные связи почти не влияют.

В случае двухатомных молекул можно различать два типа связи. Одна из них осуществляется в тех молекулах, в которых часть электронов движется около обоих ядер. Такая связь называется атомарной связью. Как правило, атомарная связь образуется парами электронов и осуществ­ляется в молекуле водорода. Как нам уже известно, у атома водорода на внешней оболочке имеется один электрон. Если два атома водорода сближаются, то оба электрона движутся вокруг обоих же ядер и образуют прочную молекулу, имеющую как бы общую устойчивую двухэлек - тронную оболочку. Поэтому разрушить молекулу водорода довольно трудно. Так, при температуре около 2000° рас­падается на атомы всего около 0,088% водорода, и только при температуре около 5000° на атомы распадается при­мерно 95% водорода.

Подобным образом обстоит дело и с молекулой хлора. Атом хлора имеет на внешней оболочке 7 электронов. Для образования прочной восьмиэлектронной оболочки ему недостает всего одного электрона. При сближении двух атомов хлора по одному электрону от каждого атома (всего два) начинают двигаться одновременно вокруг обоих ядер, образуя общую восьмиэлектронную оболочку.

Распад, разложение простой молекулы на отдельные атомы или сложной молекулы на отдельные составляющие молекулярные группы под действием каких-либо сил, носит название диссоциации. Энергия, которую необходимо за­тратить на разложение молекулы, называется энергией связи молекулы или энергией диссоциации. Энергия дис­социации выражается либо в больших калориях, либо в электрон-вольтах.

Как устроены твердые тела

При изучении процессов, происходящих в ионизацион­ных газоразрядных счетчиках, недостаточно знания строе­ния газов, состоящих из отдельных, свободно движущихся и мало связанных между собой атомов и молекул.

Так как газовая среда, которая используется при работе счетчика, помещается в замкнутый сосуд, необходимо иметь представление о процессах, происходящих на границе двух сред: газ — металл или газ — изолятор (диэлектрик), и следовательно, о том, как устроены твердые тела.

Известно, что все твердые тела по своей внутренней структуре делятся на два класса: кристаллические и не­кристаллические (аморфные), а по электрическим свой­ствам — на проводники (металлы) и непроводники (диэлект­рики или изоляторы). Кристаллический и аморфный ха­рактер вещества зависит как от его собственных свойств, так и от условий, при которых происходит переход тела в твердое состояние. Удавалось получить в кристалли­ческом состоянии такие типично аморфные вещества, как стекло, каучук, клей и др.

В противоположность свободно перемещающимся час­тицам газов частицы твердого тела закреплены на местах почти неподвижно и могут совершать только сравнительно незначительные колебательные движения.

Представим себе, что мы сближаем между собой два атома металла, скажем, меди. Атом меди имеет на внешней оболочке один электрон. Лри сближении у обоих атомов имеются совершенно равные шансы присоединить к себе наружный электрон другого атома. Поэтому при достаточ­ном сближении их наружные электроны, наиболее слабо удерживаемые ядрами, становятся общими для обоих ато­мов, подобно тому как это было в случае образования мо­лекулы водорода.

А если сблизить между собой не два, а несколько ато­мов меди, то мы получим гигантскую молекулу, состоящую из атомов, окутанных, как дымом, быстро движущимися электронами. Эти электроны по отдельности не принад­лежат ни одному атому, а свободно, беспорядочно движутся между ними, тем самым создавая прочную связь между отдельными атомами. В этом случае каждый атом в отдель­ности становится положительно заряженным, так как в каждый момент у него не хватает одного отрицательного электрона. Атом, потерявший электрон, называют ионизи­рованным атомом или положительным ионом. Весь же кусок металла является электрически нейтральным, так как число свободнодвижущихся электронов равно числу положительных ионов.

Особенностью структуры металлических элементов яв­ляется сравнительно слабая связь внешних электронов с ядром. Эта связь тем слабее, чем меньше число электро­нов в наружном слое. Если в наружном слое имеется один электрон, как например, у меди, хрома, молибдена и др., то он притягивается зарядом иона, равным единице. Сила притяжения в этом случае мала. При наличии двух электро­нов в наружном слое (железо, никель, вольфрам и др.) положительные ионы имеют двойной заряд; при этом каж­дый из двух электронов притягивается вдвое сильнее.

Таким образом, картина строения металлов сводится к следующему. Металл состоит из положительно заряжен­ных атомов (ионов), размещенных в строгом порядке в атмо­сфере отрицательного «электронного газа», который за­полняет промежутки между атомами (рис. 2). Между ато­мами электроны движутся беспорядочно, так же, как молекулы в газе. В своем беспорядочном движении электро­ны проникают за пределы наружного слоя положительных ионов, которые не дают им окончательно покинуть металл. Поэтому поверхность металла покрыта тончайшим слоем выступившего отрицательно заряженного «электронного газа». Под этим слоем находится слой положительных ионов, который уравновешивает отрицательный слой.

Оба эти слоя образуют двойной электрический слой, подобно обкладкам конденсатора, заряженным разноимен­ным электричеством. Этот двойной слой является как бы

GQQQGGQGeGO СШос? те злекщрот //ты Рис. 2, Схема строения проводника.

Преградой, препятствующей выходу электронов из металла, носящей название потенциального барьера. Чтобы электрон смог покинуть металл, необходимо дать ему дополни­тельную энергию, достаточную для преодоления этого барьера. Работа, которую при этом нужно затратить, на­зывается работой выхода электрона из металла. Величина этой работы обычно выражается в электрон-вольтах и яв­ляется различной для различных металлов.

Если отрезок металлической проволоки подключить к источнику электрической энергии, который создаст в нем электрическое поле, то свободные электроны приобретут упорядоченное движение в направлении: положительного полюса источника энергии, и в проволоке потечет элек­трический ток. Металлы являются проводниками электри­чества.

В отличие от рассмотренной нами ионной структуры твердого вещества диэлектрики (изоляторы) строятся по так называемой атомной структуре. Она характерна тем, что в узлах пространственной решетки располагаются от­дельные атомы, а не ионы. В этом случае свободных электро­нов либо совершенно нет (рис. 3), либо имеется весьма незначительное количество. При наложении на такое

Рис. 3. Схема строения непроводника.

Твердое тело электрического поля по нему не потечет электрический ток. Поэтому такие тела называются диэлек­триками и применяются в качестве изоляторов.

Как поджигается воздух

Вам приходилось наблюдать ночью грозу, когда молния, с грохотом разрывая облака, ярко освещает голубоватым светом всю окрестность? Что это, воздух вспыхивает так ослепительно ярко? Как он поджигается? Ученые разга­дали эту загадку.

В обычных нормальных условиях атомы газа не излу­чают энергии. Они начинают ее излучать в том случае, когда газ обстреливается потоком быстрых частиц — элек­тронов, альфа-частиц и других, или облучается коротко­волновыми лучами — ультрафиолетовыми, рентгеновскими, гамма-лучами, словом тогда, когда атомам газа каким-либо образом сообщается излишек энергии, которую они отдают в виде излучения.

Если атом обладает этой излишней энергией, то про него говорят, что он «возбужден», а самый акт сообщения ему этой излишней энергии называют процессом возбуждения.

На рубеже XX столетия, в 1900 году, немецкий ученый Макс Планк, изучая законы теплового излучения абсо­лютно черного[4]) тела, пришел к выводу, что энергия рас­пространяется не сплошным, непрерывным потоком, а от­дельными мельчайшими порциями. Эти порции энергии он назвал квантами («квант» и означает «порция»). Кванты светового излучения называют фотонами. Между энергией фотона и длиной волны излучаемого света существует

Рис. 4. Энергетические уровни лития.

Простое соотношение: чем больше энергия, тем меньше длина волны этого излучения.

Электроны в атоме могут двигаться не по любым ор­битам, а лишь по определенным — «дозволенным»[5]). При этом если электрон движется по ближайшей к ядру орбите, то он обладает наименьшей энергией, что соответствует наиболее устойчивому состоянию атома. Этот запас энер­гии принимают за начало отсчета, т. е. за нуль (рис. 4). Если электрону извне сообщается дополнительная энергия, то он переходит на орбиту, более удаленную от ядра. В этом случае принято говорить, что электрон находится на более высоком энергетическом уровне. Характерно, что электрон может воспринять только такое количество энер­гии, какое необходимо для того, чтобы он смог попасть на один из «дозволенных» энергетических уровней. При этом энергию принято выражать в электрон-вольтах (,Эв), то есть в единицах энергии, равных энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в один вольт.

Электрон может находиться на высоком уровне весьма короткое время, после чего он самопроизвольно переходит на более низкий энергетический уровень. При этом изли­шек энергии излучается в пространство в виде фотона света определенной длины волны. Величина энергии фо­тона, а следовательно, и длина волны света соответствуют разности энергетических уровней. Время, в течение ко­торого электрон находится на более высоком энергетиче­ском уровне, принято называть «временем жизни» атома в возбужденном состоянии. Это время у большинства ато­мов примерно равно 0,000000 01 секунды (10"8сек.).

«Дозволенных» энергетических уровней у электрона в атоме может существовать большое число.

Рассмотрим для примера процесс свечения возбужденных атомов. Пусть это будут пары лития. Известно, что атом лития имеет два электрона на энергетическом уровне Is (К-Оболочка) и один электрон на энергетическом уровне 2S (М-оболочка) (рис. 4). Пусть нам удалось каким-либо способом (например, повышением температуры или электри­ческим разрядом) сообщить электрону, расположенному на J? s-ypoBHe, энергию порядка 3,8 эв. В этом случае электрон перейдет на энергетический уровень 3d. Атом лития ста­новится возбужденным с энергией возбуждения 3,8 эв до уровня 3d. С этого энергетического уровня электрон может вернуться в нормальное состояние (уровень 2S) двумя пу­тями: либо непосредственно на уровень 2S, либо через про­межуточный уровень 2р. При непосредственном переходе на уровень 2S он отдает (излучает) в виде одного фотона всю полученную им энергию (3,8 эв), что соответствует ви­димому фиолетовому свету с длиной волны, равной 3195 ангстрем[6]).

При переходе с уровня 3d на уровень 2р электрон излу­чает часть энергии в виде красного света с длиной волны 6105 А. Так как разность между этими энергетическими уровнями меньше, чем в первом случае, то длина волны света больше. При этом атом еще остается в возбужденном состоянии. При дальнейшем переходе электрона с уровня 2р на уровень 2S «высвечивается» фотон с длиной волны в 6707 А, что соответствует красному свету. Последний тип перехода (через промежуточный уровень 2р) наиболее вероятен. Поэтому возбужденные пары лития будут све­титься красноватым светом.

Аналогичным образом происходит свечение возбужден­ных молнией атомов и молекул газов, входящих в состав воздуха, хотя картина возбуждения и свечения значительно сложнее. Поэтому-то прохождение тока при грозовых раз­рядах сопровождается ярким свечением воздуха.

Как возбуждается и ионизируется газ

Если внешнему электрону лития сообщить энергию больше 5,37 эв, то он вообще покинет атом, т. е. выйдет из сферы влияния ядра лития. Процесс отрыва внешнего электрона от атома носит название ионизации атома. Энер­гию, необходимую для совершения отрыва электрона от атома, называют потенциалом ионизации и выражают в электрон-вольтах. Эта энергия различна для различных атомов. Атом, потерявший один электрон (один отрица­тельный заряд), обладает одним избыточным положитель­ным зарядом и потому называется положительным ионом.

Атомы газа (или пара) возбуждаются или ионизируют­ся при столкновении их с быстролетящими частицами — электронами, ядрами гелия (альфа-частицами), протонами, нейтронами, другими атомами, а также при поглощении ими лучистой энергии — квантов световых, рентгеновских и гамма-лучей.

Возбуждение и ионизация газа под ударами быстроле- тящих частиц носит название ударной ионизации. При прохождении электрона через газ он претерпевает огром­ное число столкновений с нейтральными атомами. Так как масса электрона значительно (примерно в 2000 раз) меньше массы атома, то при встрече быстролетящего элект­рона с атомом может произойти упругое столкновение, при котором электрон почти не теряет своей кинетической энергии и не производит никаких изменений в энергети­ческом состоянии атома. В самом деле, представьте себе, что упругий теннисный мяч диаметром примерно 5 см, летя­щий с относительно большой скоростью, попадает в другой движущийся теннисный мяч, но с диаметром в 2000 раз больше первого — примерно 100 м. Очевидно, что послед­ний не испытает заметных изменений в своем движении. Маленький же мяч только изменит направление своего движения, почти не потеряв при этом своей кинетической энергии.

Но может произойти и так, что электрон отдает атому всю или часть своей кинетической энергии. В результате этого атом возбуждается или ионизируется, если отданная электроном энергия больше потенциала ионизации атома. Такой вид соударения называют неупругим столкновением первого рода. Вернемся к тому же сравнению и представим, что на поверхности стометрового теннисного мяча приклеено несколько маленьких пятисантиметровых мячей и что ле­тящий мяч попал в один из них. Так как их массы равны, то под ударом последнего и в зависимости от величины полученной им энергии приклеенный мяч может оторваться от поверхности большого мяча. При этом у большого мяча не хватит одного малого и он станет как бы «ионизиро­ванным».

Так как время жизни возбужденного атома хотя и весьма малое, но конечное, то может случиться, что в это время произойдет еще одно неупругое столкновение возбужден­ного атома с электроном. В результате этого атом полу­чит еще часть энергии и его возбужденный электрон перейдет на более высокий энергетический уровень или совершенно покинет атом. Этот процесс носит название ступенчатого возбуждения.

Описанный механизм ударной ионизации относится к любому виду частиц, будь то электроны, альфа - или дру­гие какие-либо быстро летящие частицы.

Другим процессом возбуждения и ионизации газа, имею­щим место в газоразрядных счетчиках, является процесс поглощения атомами газа квантов лучистой энергии. Кван­ты световых, рентгеновских и гамма-лучей, попадая в атом, передают всю или часть своей энергии атому, возбуждая или ионизируя его[7]). При этом, как и в первом случае, атом может воспринять такое количество энергии, какое необходимо электрону, чтобы он мог либо занять дозво­ленный энергетический уровень, либо оторваться от ядра.

Газы или пары могут поглощать лишь такие кванты энер­гии видимого света, которые они могут сами испускать. Если энергия кванта превышает потенциал ионизации дан­ного атома, то квант отдает ему часть энергии и сам ста­новится при этом более длинноволновым.

У некоторых газов, в частности у инертных, существует один или несколько таких энергетических уровней, с ко­торых электрон не может самопроизвольно перейти на нижний уровень. Как говорят в физике, переход здесь «запрещен». Эти энергетические уровни называются мета - стабильными уровнями, само состояние возбужденного ато­ма называется метастабильным состоянием, а такой атом — метастабильным атомом. Из такого состояния в нормаль­ное атом может перейти двумя путями: либо получить дополнительную энергию, дающую возможность электро­ну занять более высокий энергетический уровень, с кото­рого ему не «запрещено» самопроизвольно переходить на более низкие уровни обычным путем, либо метастабильный атом передает свою энергию путем столкновения с другими атомами и молекулами газа или с металлической стенкой сосуда.

В последнем случае, если величина энергии метаста- бильного атома превышает работу выхода металла, то атом вырвет из него один электрон. Время жизни метастабильных атомов определяется внешними условиями. Метастабильные атомы играют серьезную роль в работе газоразрядного счетчика.

Возбуждение и ионизация газа могут происходить так­же и под действием высокой температуры (термическая ионизация и термическое возбуждение). Так как при вы­сокой температуре сильно увеличивается число быстро движущихся частиц газа, то значительная часть столк­новений частиц друг с другом могут привести к переходу кинетической энергии движения частиц в энергию их воз­буждения или ионизации. Это явление можно легко наблю­дать. Если посолить пламя горелки газовой плиты, то оно окрашивается в желтый цвет вследствие того, что под дей­ствием высокой температуры возбуждаются пары натрия, излучающие желтую линию спектра.

Наряду с ионизацией постоянно имеет место и обратный процесс — захват электронов положительным ионом. Этот процесс носит название рекомбинации положительного иона и электрона в нейтральную частицу.

Лучи, рожденные атомом

Мы познакомились с процессом возникновения световых лучей и знаем, что они являются результатом перехода внешнего электрона атома из возбужденного состояния в нормальное. Так как световое излучение может проис­ходить при возбуждении только самых удаленных от ядра электронов, то их называют оптическими электронами.

Что же произойдет с атомом, если в него попадет элек­трон, обладающий сравнительно большой энергией? В этом случае электрон может проникнуть сквозь толщу электрон­ных оболочек в глубь атома и выбить электрон с одной из глубоко лежащих электронных оболочек. На освобо­дившееся место сразу же перейдет электрон с вышележа­щей оболочки, излучив при этом высвобождающуюся энер­гию в виде кванта рентгеновского излучения. Таким обра­зом, рентгеновское излучение является результатом пере­хода электронов на внутренних оболочках. По мере пере­движения в глубь атома длина волны рентгеновского излу­чения становится короче, или, как говорят, рентгеновские лучи становятся «жестче». Наиболее «жесткие» рентгенов­ские лучи получаются тогда, когда выбивается электрон из слоя К и его место занимает электрон из слоя L, а на место этого переходит электрон из слоя М и т. д.

Рентгеновские лучи возникают также при резком тор­можении быстро летящих электронов. Известно, что вся­кое замедление движения электрического заряда должно сопровождаться излучением электромагнитной энергии. По­этому при резком торможении электрона он испускает энергию в виде кванта рентгеновского излучения. На этом принципе основано действие рентгеновских трубок, широко используемых в медицине и технике. В рентгеновской труб­ке поток электронов, испускаемый раскаленной вольфра­мовой нитью, ускоряется электрическим полем и резко тормозится на твердой поверхности металлического анти­катода трубки.

Рентгеновские лучи обладают большой проникающей способностью и являются мощным ионизатором. Ионизация рентгеновскими лучами происходит за счет энергии кванта рентгеновского излучения.

Этим не исчерпываются безграничные запасы атомных недр. В 1896 году французский ученый Анри Беккерель установил, что химические соединения урана испускают какие-то невидимые лучи, которые обладали интересными свойствами: под действием их воздух становился провод­ником электричества, закрытая от видимого света фото­графическая пленка чернела и некоторые вещества све­тились. Два года спустя ученые Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская, изучая эти лучи, открыли новый эле­мент — радий, дающий более сильные излучения, чем ура­новые соединения.

Было установлено, что радий испускает три вида лу­чей, названных первыми тремя буквами греческого алфа­вита а (альфа)-, (5 (бета)- и у (гамма)-лучами. Способность вещества испускать лучи подобно радию была названа Радиоактивностью. Установлено и многочисленными опы­тами доказано, что радиоактивные излучения испускаются ядрами атомов в момент их самопроизвольного превращения (распада) в ядра атомов других элементов. Изучая при­роду этих лучей, ученые узнали, что а-лучи представляют собой ядра атомов гелия, то есть частицы, состоящей из двух нейтронов и двух протонов и несущей на себе две единицы заряда положительного электричества. Другими словами, а-частица—это двукратно ионизированный атом гелия, а-частицы выстреливаются ядром радиоактивного атома с огромной энергией, доходящей до 5 миллионов электрон-вольт (Мэв) и способны ионизировать газ путем неупругих соударений первого рода.

Второй вид лучей — (5-лучи — оказались потоком элект­ронов, обладающих энергиями в сотни тысяч электрон - вольт. Они зарождались также в недрах ядра при превра­щении нейтронов в протоны. При превращениях же про­тона в нейтрон образуется частица, подобная электрону, но имеющая положительный заряд. Эта частица называет­ся позитроном. Ядерные превращения, происходящие с ис­пусканием а - и [5-частиц, носят название соответственно а - и ^-распада. У многих радиоактивных веществ этот рас­пад сопровождается у-излучением.

Гамма-лучи имеют ту же природу, что и рентгеновские, но отличаются значительно меньшей длиной волны. Они обладают еще большей проникающей способностью по сравнению с рентгеновскими лучами. Как и в случае пре­вращений внутри электронной оболочки атома, в резуль­тате которых рождаются световые и рентгеновские лучи, так и улучи рождаются при а - и p-распадах ядер, когда последние после распада остаются в возбужденных состоя­ниях. При переходе вновь образовавшегося ядра в нор­мальное состояние излучается у-квант. Энергии уквантов достигают нескольких миллионов электрон-вольт.

Так как все виды излучения, от радиоволн до у-лучей, являются электромагнитными волнами, их часто распола­гают в ряд в виде шкалы электромагнитных волн. Электро­магнитные волны, как и световые, в пустоте распростра­няются со скоростью, равной 300 ООО километров в се­кунду.

Взаимодействие излучений с веществом

Из всех видов излучений нас интересуют те, которые можно обнаружить с помощью газоразрядных ионизацион­ных счетчиков, а также те, которые имеют значение при изучении механизма работы последних.

Как уже указывалось, световое излучение (от инфра­красных до ультрафиолетовых лучей включительно) не об­ладает способностью проникать через толщи различных тел (за исключением прозрачных). Оно способно возбуж­дать атомы газа и даже ионизировать пары некоторых веществ, потенциал ионизации которых не превышает энер­гии самых коротких из них—ультрафиолетовых лучей. При воздействии светового излучения на поверхность металла из нее вылетают электроны. Это явление получило название фотоэффекта. Для получения фотоэффекта величина энер­гии фотонов, падающих на поверхность металлов, должна быть равна или быть больше величины работы выхода элек­тронов из данного металла. Явление фотоэффекта широко ис­пользуется в технике при конструировании фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей. Световое излучение ока­зывает химическое действие, что лежит в основе фотографии.

Рентгеновское излучение, как мы уже говорили, обла­дает значительной способностью проникать в толщу ве­щества. С уменьшением длины волны эта способность уве­личивается. Это же относится и к у-лучам. Вообще говоря, принципиальная разница между рентгеновскими и у-лу - чами заключается только в их происхождении.

Первые рождаются во внешней части атома, в его элек­тронной части, вторые возникают в ядре. По характеру же взаимодействия с веществом разницы между ними нет и отличаются они только длинами волн. Так, рентгеновские лучи занимают по шкале длин волн от Ю-6 до Ю-9 см (от 100 до 0,1 А), что соответствует

Интервалу энергии кван­тов от 100 до 105 эв, а у-лу­чи имеют длины волн от ЗЛО"9 (0,ЗА) и менее, что соответствует энергии квантов от 4-104 эв и более.

Поэтому все, что мы расскажем о у-лучах, будет относиться и к рентгенов­ским лучам.

При прохождении у-из - лучения через вещество различают три вида взаи­модействия : фотоэлектри­ческое поглощение, комп - тоновский эффект и обра­зование пар (рис. 5).

-35а»

Зштрон

У

^ Злешря//

АЯЖ

<ф>

Fl03Ј/J77/70Ff

Рис. 5. Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом.

В случае фотоэлектри­ческого поглощения у-квант полностью поглощается атомом, и приэтом выбивает тт-квант, из него электрон. Так как ~ ^ энергия, необходимая для отрыва электрона от атома, исчисляется десятками электрон-вольт, а энергия у-квантов — миллионами электрон-вольт, то почти вся энергия передается эле­ктрону в виде кинетической энергии. За счет этой энергии быстро движущийся электрон производит путем неупругих столкновений первого рода ионизацию большого числа нейтральных частиц газа. Вы­битые у-квантами электроны летят по направлениям, пре­имущественно перпендикулярным к направлению движе­ния у-кванта.

При комптоновском эффекте у-квант отдает атому часть своей энергии, превращаясь таким образом в у-квант с меньшей энергией, т. е. с большей длиной волны. Следо­вательно, в этом случае после встречи у-кванта с атомом появляется электрон, обладающий некоторым запасом энер­гии, и рассеянный у-квант. Последний после многократного рассеяния заканчивает свое существование фотоэлектри­ческим поглощением.

Наконец, при встрече у-кванта с энергией, превышаю­щей 1 Мэв, с ядром атома происходит образование пары частиц — позитрон — электрон, одинаковых по массе, но с разными знаками зарядов. Однако этот процесс начинает заметно преобладать над первыми двумя лишь при очень больших энергиях у-квантов. Так, например, для меди при облучении ее у-квантами с энергией до 150 ООО эв пре­обладает фотоэлектрическое поглощение; до 5 Мэв компто - новский эффект и выше 5 Мэв—процесс образования пар.

Таким образом, во всех случаях в результате прохожде­ния у-лучей через вещество появляется электрон.

Бета-частицы могут обладать энергией от 0 до 3 Мэв. В связи с этим и их скорости могут быть в пределах от нуля до скоростей, близких к скорости света. Поток р-ча - стиц, проходя через вещество, ионизирует его атомы. Обра­зовавшиеся при этом электроны могут обладать значитель­ными скоростями и также могут ионизировать атомы ве­щества. При прохождении через вещество р-частица на своем пути оставляет десятки тысяч пар ионов (ион-электрон, называют парой ионов). По мере прохождения [5-частицы через вещество ее скорость все больше падает и, наконец, становится тепловой. В этом случае р-частица может пойти либо на рекомбинацию иона, либо «примкнуть» к нейтраль­ному атому и образовать отрицательный ион. Чем больше начальная энергия p-электрона, тем больший путь он пройдет в веществе. Расстояние, на котором р-частицы пол­ностью поглощаются слоем вещества, называется макси­мальным пробегом. Величина пробега зависит от плот­ности вещества и возрастает с увеличением энергии р-час - тиц. Практически р-частицы полностью поглощаются, на­пример, оконным стеклом, любой металлической пластин­кой толщиной в несколько миллиметров. Поэтому характер­ной особенностью конструкции счетчиков р-частиц является наличие тонкого окна, через которое могли бы пройти р-ча­стицы малых энергий («мягкие» р-лучи).

Энергия а-частиц, испускаемых некоторыми радиоак­тивными элементами, изменяется в пределах от 2 до 8 Мэв. При этом частицы обладают значительными скоростями. Так, а-частица с энергией 5 Мэв имеет начальную скорость примерно 15 ООО кжсек. По мере прохождения а-частицы через вещество ее скорость, так же как и в случае р-частиц, постепенно падает вследствие бесчисленных соударений с атомами вещества и, наконец, становится равной ско­рости движения атомов среды (тепловой скорости). После этого ос-частицы присоединяют к себе электроны, превра­щаясь в атомы гелия.

При встрече а-частиц с атомами вещества наблюдается ионизация последних., причем число пар ионов, образован­ных на пути пробега а-частицы, значительно больше, чем в случае р-частиц и составляет 100 ООО—200 ООО. Такая большая ионизационная способность а-частиц приводит к тому, что длина пути их пробега даже в воздухе не пре­вышает нескольких сантиметров. Даже тонкий лист бумаги почти полностью поглощает их. Отсюда понятны конструк­тивные трудности при изготовлении счетчиков а-частиц. В самом деле, из чего же сделать окно, не разрушающееся от давления внешнего воздуха и в то же время пропускаю­щее а-частицы?

II. МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕВИДИМЫХ ЛУЧЕЙ

Как можно обнаружить невидимые лучи

М

Ы знаем, что электромагнитные излучения в широком диапазоне длин волн (от очень длинных — радиоволн — до очень коротких — у-л учей), за исключением маленького участка от 7400 до 3800 А, невидимы. Однако мы научи­лись их ощущать, «видеть», как в переносном, так и в пря­мом смысле этого слова, посредством различных приспо­соблений, называемых приемниками излучения.

Одним из приемников лучистой энергии, созданным самой природой, является человеческий глаз, который вос­принимает маленький участок длин волн видимого света. Все же остальные приемники, сделанные человеком, вы­полняют роль посредников, которые прямым или косвен­ным способом сообщают ему о присутствии того или иного излучения.

Известные способы «видеть» невидимые излучения (радио­волны, инфракрасные, рентгеновские, радиоактивные и другие) основываются на использовании различных свойств, проявляемых ими при прохождении через вещество, или при встрече с ним.

Под действием радиоактивных излучений многие среды изменяют свои физические и химические свойства. Эти изменения можно заметить или непосредственно, или с по­мощью специальных приборов. Так, например, под дей­ствием радиоактивных излучений происходит конденсация пересыщенного водяного пара вдоль пути прохождения ионизирующей частицы. Это изменение среды мы можем наблюдать непосредственно глазом или фотографировать. Под действием радиоактивных излучений некоторые крис­таллы и растворы веществ меняют окраску, что мы также можем наблюдать визуально. Невидимый электронный луч заставляет светиться экран телевизионной трубки и мы видим на нем изображения предметов.

Под действием радиоактивного излучения происходит «засвечивание» фотопластинки, которая после проявления чернеет. Некоторые вещества начинают светиться после облучения их невидимыми лучами. При облучении радио­активными излучениями газ становится проводником элек­тричества. Это свойство мы также легко можем заметить. Все эти свойства невидимых лучей дают возможность «видеть» их.

Туман делает частицу видимой

Вам приходилось наблюдать, как вечером после зной­ного летнего дня, луга в поймах рек покрывались белой пеленой стелющегося тумана. Наверное, вам доводилось также видеть, когда высоко в голубом безоблачном небе еле заметной сверкающей в лучах Солнца серебряной пти­цей проносился самолет, оставляя за собой долго сохраняю­щийся белый след. Это тоже туман. Но как он возник в чистом безоблачном небе?

Известно, что воздух всегда насыщен водяным паром, причем количество его увеличивается с повышением тем­пературы. При охлаждении водяного пара он сгущается (конденсируется) в отдельные мелкие капельки. Но кон­денсация пара может происходить только на поверхности твердых тел — в воздухе на поверхности твердых частиц-пы­линок, которые в нем находятся всегда в достаточном количестве. В совершенно чистом воздухе при охлаждении туман не возникает, а если и возникает, то только в том случае, когда воздух пересыщен водяным паром. При полете с большой скоростью самолет, рассекая воздух, создает разреженное пространство, в котором резко по­нижается температура воздуха и остается много твердых частиц от сгоревшего в двигателях топлива. На этих ча­стицах моментально конденсируется водяной пар, образуя за самолетом белый шлейф тумана.

Если в закрытом сосуде мгновенно понизить температуру воздуха, насыщенного водяным паром и пропустить через него заряженную частицу (например, а-частицу), то водя­ной пар начнет конденсироваться на ионах, создаваемых этой частицей в результате ионизации воздуха. Образуется точно такая же белая полоса тумана, как и за летящим самолетом. Эту белую полосу тумана можно рассмотреть и сфотографировать. Физик Вильсон предложил использо­вать это явление для обнаружения невидимых заряженных частиц и построил прибор, получивший название камеры Вильсона. В этом приборе охлаждение воздуха достигается быстрым его расширением.

Фотографическая пластинка и растворы веществ рассказывают о невидимых лучах

Как уже говорилось, под действием видимого света не­которые вещества начинают светиться — фосфоресцировать. В 1896 году французский физик Беккерель занимался изу­чением фосфоресцирующего вещества химического соеди­нения урана — бисульфита урана. Однажды он подготовил соль урана и зарядил кассеты фотопластинками, для того чтобы сфотографировать фосфоресценцию, вызываемую сол­нечным светом. Но в этот день была пасмурная погода и Солнце показывалось только изредка. Опыты пришлось отложить, а подготовленные пластинки в закрытых кассе­тах и соль урана Беккерель положил в ящик стола. В по­следующие два-три дня Солнце совсем не показывалось. Ученый все же проявил пластинку, и к своему удивлению заметил почернение ее в тех местах, где поблизости нахо­дились кристаллики урановой соли. Так были открыты радиоактивные лучи.

Фотографические пластинки и пленки нашли широкое применене при измерениях радиоактивных излучений.

Поток у-лучей, воздействуя на фотоэмульсию, произ­водит общее почернение фотопленки. Степень почернения зависит от количества упавших на пластинку у-квантов; чем больше у-квантов, тем выше плотность почернения.

Эта пропорциональность особенно наглядно подтверж­дается интересными опытами, поставленными недавно К. В. Чмутовым. Обычный фотографический отпечаток был обработан (вирирован) известным способом раствором ура­новой соли, так что все металлическое серебро отпечатка было заменено урановыми соединениями. При этом отпе­чаток приобрел оранжево-коричневый цвет. После высу­шивания на отпечаток в темноте был наложен лист свежей бромосеребряной бумаги и оба листа лежали под прессом 5—8 месяцев в темноте. На проявленной затем фотографи­ческой бумаге было получено зеркально-обращенное нор­мальное изображение первой фотографии. Это произошло под действием а-частиц, излучаемых урановыми солями.

Таким образом, с помощью фотографических пленок можно измерять не самое количество радиоактивных час­тиц, упавших на них, а тот эффект, который они произвели, то есть ту энергию, которую они затратили, чтобы создать ионизацию в фотографической эмульсии пленки. А энер­гия радиоактивных излучений, поглощенная веществом, называется дозой, которая измеряется в рентгенах. Рент­ген — это такая доза излучения, при которой в одном ку­бическом сантиметре сухого воздуха при нормальных ус­ловиях образованные ионы одного знака имеют суммарный электрический заряд, равный одной электростатической единице электричества.

Чувствительность фотографического метода измерения доз радиоактивного излучения колеблется в пределах от сотых долей рентгена до нескольких тысяч рентгенов в зависимости от чувствительности фотопленки.

Учеными было открыто и другое явление, которое также нашло применение при измерении доз излучения. Это — химическое действие излучения. В результате ионизи­рующего действия излучения и последующих химических процессов, некоторые растворы веществ изменяют свой двет, причем плотность окраски пропорциональна дозе излучения.

Советские ученые JI. В. Мысовский и А. П. Жданов предложили использовать фотографическую пленку для регистрации отдельных заряженных частиц (а - и р-частиц)*

Этот метод основан на использовании фотографических пластинок, имеющих толстый светочувствительный слой. В этом случае а-частица, проходя через зерна бромистого серебра, находящегося в светочувствительном слое, произ­водит их ионизацию. После проявления на фотографиче­ской пластинке остается след. Так как пробег а-частицы в фотографическом слое незначителен, то след можно увидеть только с помощью микроскопа.

Видимый свет также может рассказать о невидимых лучах

Вам, наверное, приходилось наблюдать, когда в непро­глядной тьме июльской ночи вдруг слабой звездочкой вспыхивает голубоватый огонек. Это светится «светлячок». При химической реакции веществ, вырабатываемых орга­низмом светлячка, возникает свет.

Еще в 1612 году знаменитый итальянский ученый Га­лилей показывал так называемый «болонский камень», об­ладавший интересным свойством. Найденный в окрест­ностях Болоньи тяжелый шпат (минерал, содержащий суль­фат кальция и бария) после прокаливания с угольным порошком и пребывания на дневном свету сам светился в темноте.

Спустя несколько десятков лет (в 1669 году) способность светиться открыли и у химического элемента фосфора. Благодаря этому свойству этот элемент и получил свое название фосфор, что означает «светоносный». Внешнее сходство явлений свечения" светлячка, «болонского камня» и фосфора дало повод все вещества, которые могли само­произвольно светиться, назвать фосфорами, а их свече­ние — люминесценцией.

В начале XX века было установлено, что под действием радиоактивных излучений сернистый цинк, иодистый нат­рий, кристаллы нафталина, антрацена и многие другие как твердые, так и жидкие вещества также начинают све­титься.

При прохождении а-, [3-частиц или у-квантов электроны в молекулах этих веществ возбуждаются или ионизируются и при переходе в нормальное состояние испускают квант света, то есть дают вспышку света, названную сцинтилля­цией. Чем больше ионизирующая способность частицы, тем больше ионов она создает на своем пути и тем ярче получится вспышка света. Если сосчитать число вспышек,
то будет известно число частиц, прошедших через люми - несцирующее вещество.

Рис. 7. Схема сцинтилляционного счетчика.

Альфа-частица обладает большой ионизирующей спо­собностью, и вспышки света, получаемые при ее прохожде­нии, настолько интенсивны, что их можно наблюдать непосредственно гл азом. На этом принципе Круксом был построен прибор, полу­чивший название спинта­рископа (рис. 6). Над плас­тинкой, покрытой сернис­тым цинком, помещается иг­ла, на острие которой нано­сится а-активное вещество. Если посмотреть через лин­зу в прибор, то можно за­метить, как на пластинке с сернистым цинком возника­ют и моментально гаснут зеленовато-желтые огоньки.

Рис. 6. Устройство спинта­рископа.

Каждая отдельная вспышка появляется при ударе а-частицы о пластинку.

Подсчитывая число таких вспышек за определенный промежуток времени, можно определить число излучае­
мых а-частиц, то есть узнать активность вещества. Однако с помощью спинтарископа можно подсчитать очень не­большое число а-частиц, так как при большом числе вспы­шек глаз перестает различать отдельные вспышки — они сливаются в сплошное свечение. Это явление можно наблю­дать и без спинтарископа, если в темноте посмотреть через сильную лупу на самосветящийся циферблат часов. Цифры циферблата покрыты люминофором с примесью радиоак­тивного вещества, а-излучение которого непрерывно воз­буждает люминофор и заставляет его светиться. Число отдельных вспышек очень велико, и поэтому в лупу видно только сплошное переливающееся мерцание.

В настоящее время сцинтилляции, возникающие в лю- минесцирующем веществе, подсчитываются не глазом, а высокочувствительным прибором, называемым фотоэлек­тронным умножителем, изобретенным советским инженером JI. А. Кубецким. С помощью фотоэлектронного умножи­теля можно регистрировать вспышки, вызванные не только а-частицами, но и у-квантами. Сочетание кристалла фос­фора с фотоумножителем получило название сцинтилля - ционного счетчика. Схема такого счетчика изображена на рисунке 7.

Фотоэлектронный умножитель представляет собой за­паянную с обоих концов стеклянную цилиндрическую кол­бу с плоской торцевой частью, на которую испарением в вакууме нанесена тонкая полупрозрачная пленка, со­стоящая из смеси двух металлов — сурьмы и цезия. Этот слой, называемый фотокатодом, обладает весьма малой работой выхода электронов, и поэтому упавший на фото­катод квант света легко выбивает из него фотоэлектрон.

С помощью фокусирующего устройства этот электрон, приобретая определенную скорость под действием электри­ческого поля, попадает во внутреннюю часть фотоэлектрон­ного умножителя, где в определенном порядке расположено несколько металлических электродов, также обладающих малой работой выхода. Эти электроды называются эмитте­рами, так как они эмиттируют (испускают) электроны.

Таким образом, первичный фотоэлектрон, попадая на первый эмиттер 1э, выбивает из него несколько вторичных электронов. Между двумя соседними эмиттерами приложены разность потенциалов в 100 в, которая создает в простран­стве между ними электрическое поле определенной конфи­гурации.

Под действием этого поля все электроны, вышедшие из первого эмиттера, ускоряются и направляются на эмиттер 2э, из которого каждый из них выбьет два или несколько вторичных электронов. Эти последние электроны также на­правляются на эмиттер Зэ, соответственно увеличивая ко­личество электронов. Таким образом, один фотоэлектрон, рожденный квантом света, вышедшим из кристалла фос­фора, в приборе умножится в несколько миллионов раз. Образующийся поток электронов собирается на аноде и стекает во внешнюю цепь через нагрузочное сопротивле­ние, на котором он создает кратковременный импульс на­пряжения. Последний может быть сравнительно просто измерен. Таким образом, на прохождение ионизирующей частицы через кристалл сцинтилляционного счетчика ука­зывает кратковременный импульс напряжения на сопро­тивлении нагрузки.

Очевидно, чем большей ионизирующей способностью обладает радиоактивная частица, тем большее число кван­тов света она создает в кристалле. Большее число световых вспышек создает большее число первичных фотоэлектронов и соответственно большее число их будет на аноде. Поэтому величина импульса на выходе счетчика пропорциональна ионизирующей способности радиоактивных частиц.

Последнее обстоятельство позволяет применять сцин - тилляционные счетчики не только для подсчета числа ча­стиц, но и для измерения ионизирующего действия радио­активных излучений.

Газоразрядный промежуток — индикатор невидимых лучей

Вы, наверное, не раз любовались вечером красивым зрелищем большого города, особенно в часы после дождя, когда тысячи разноцветных огней отражаются, как с реке, в асфальтовой глади улиц. В разных местах вспыхивают зеленые, голубые, розовые, желтые и ярко-красные буквы реклам, вывесок магазинов, кафе и кинотеатров... Разно­цветный свет реклам, дневной свет в метро, в цехах фабрик и заводов дают газоразрядные трубки-лампы.

Что такое газовый разряд?

Известно, что одним из лучших изоляторов (непровод­ников) электричества является сухой воздух. Мы уже зна­ем, что для того чтобы вещество могло проводить электри­ческий ток, оно должно иметь так называемые носители тока: либо свободные электроны (как у металлических про­водников), либо ионы (как в жидких проводниках). А сухой газ состоит из нейтральных атомов, в нем нет носителей то­ка, а потому он и не проводит электричества. Носители тока в газе могут возникнуть только в результате воздей­ствия на газ какого-либо внешнего ионизатора. Такими иони­заторами могут быть радиоактивное, рентгеновское и ультра­фиолетовое излучения. Газ становится проводящим также и под действием высокой температуры. Явления, происходя­щие в газе во время и после прохождения через него элек­трического тока, называются электрическим разрядом в газе.

Прохождение электрического тока через газы сопровож­дается рядом особенностей, резко отличающих токи через газ от прохождения их по твердым или жидким проводни­кам. К этим особенностям можно отнести разнообразные виды свечения газа в разряде — от слабого, еле заметного сияния до ослепительно яркого света электрической дуги и молнии и звуковые эффекты, сопровождающие разряд, от шипения «короны», треска искр до грандиозных раскатов грома. Наконец, при пропускании через газовый промежуток токов в миллионы ампер может возникать термоядерная реакция, при которой происходит разрушение некоторых химических элементов, сопровождаемое образованием но­вых элементов.

Способность газов становиться проводниками электри­ческого тока при воздействии на них радиоактивных излу­чений была использована для обнаружения последних. Представим себе устройство из двух изолированных друг от друга металлических пластин — электродов, к которым приложено постоянное напряжение. При отсутствии радио­активного излучения газ между пластинами надежно изо­лирует их друг от друга и стрелка гальванометра, включен­ного во внешнюю цепь, не отклоняется.

В результате прохождения радиоактивного излучения через газовый промежуток в нем образуются положитель­ные ионы и отрицательные электроны, которые под действием приложенного напряжения двигаются к электродам: поло­жительные ионы в направлении отрицательно заряженного электрода — катода, а электроны — к положительно заря­женному электроду — аноду. Во внешней цепи потечет электрический ток, и стрелка гальванометра отклонится. Таким образом, по отклонению стрелки мы можем судить о наличии радиоактивного излучения. Приборы, работаю­щие на этом принципе, получили название ионизационных камер и газоразрядных счетчиков.

Как работает ионизационная камера

В простейшем случае ионизационная камера представ­ляет собой устройство из двух металлических пластин, изолированных одна от другой и разделенных газовым про­межутком. Любой воздушный конденсатор может выпол­нять роль ионизационной камеры. Пространство между пластинами называют рабочим объемом камеры. Если на пластины подать постоянное напряжение, то в пространстве между ними образуется электрическое поле, силовые ли­нии которого направлены от положительной пластины к отрицательной. На электрически заряженную частицу, помещенную в электрическое поле, будут действовать силы, под действием которых она будет двигаться по пути, совпа­дающем с направлением силовых линий. Направление дви­жения положительно заряженных частиц совпадает с на­правлением силовых линий поля. Отрицательные частицы движутся в противоположном направлении, то есть навстре­чу силовым линиям поля.

Рассмотрим процессы, происходящие в рабочем объеме ионизационной камеры. При отсутствии напряжения на электродах камеры ионы и электроны, образованные в рабо­чем объеме в результате действия радиоактивного излуче­ния, движутся беспорядочно вместе с нейтральными ато­мами, часть из них рекомбинируется, не достигая электро­дов, часть случайно попадает на электроды. Если теперь на электроды подать постоянное небольшое напряжение, то под действием электрического поля ионы и электроны приобретают направленное движение, соответствующее ли­ниям поля (рис. 8). При этом электроны движутся к поло­жительно заряженной пластине — аноду, а положительные ионы — к отрицательно заряженной пластине — катоду. Скорость движения тяжелых положительных ионов в ты­сячи и десятки тысяч раз меньше скорости движения легких электронов.

При малом напряжении на электродах поле между ними слабое и частицы движутся медленно. Поэтому большинство из них, не доходя до электродов, рекомбинирует, т. е. пре­
вращается в нейтральные частицы газа. Вследствие этого во внешней цепи ток будет очень малым.

Сила ионизационного тока равна общему суммарному электрическому заряду, принесенному заряженными час­тицами к поверхности электрода в течение одной секунды. Чем больше ионов собирается у электродов, тем больше сила тока. Этот ток регистрируется с помощью какого-либо электроизмерительного прибора, включенного в цепь ка­меры.

С увеличением приложенного к пластинам напряжения увеличивается сила электрического поля и все большее

Мзмертеятш лри/Зор Силовые мша ыешричес/сого лаля Рис. 8. Принцип действия ионизационной камеры.

Число заряженных частиц, не успевая рекомбинировать, попадает на электроды. Сила тока во внешней цепи увели­чивается (рис. 9, участок от О до Л).

Наконец, при некотором напряжении U сила электри­ческого поля возрастает настолько, что все заряженные частицы, образованные внешним ионизатором в рабочем объеме камеры, будут попадать на электроды. В этом слу­чае сила тока во внешней цепи определяется только иони­зационной способностью данного радиоактивного излуче­ния. Если ионизационная способность радиоактивного излу­чения не меняется, то и ток в цепи камеры течет неизменный (участок кривой А Б). Такой ток называют током насыще­ния камеры.

33

При дальнейшем увеличении напряжения за точку U2 Ток, протекающий в цепи камеры, начинает вновь возрас­тать сначала медленно, затем все быстрее и быстрее (учас­ток кривой выше точки Б). Это объясняется тем, что при

2 а. В. Александров
Напряжении выше точки U2 сила электрического поля внут­ри камеры возрастает настолько, что электроны под дей­ствием его приобретают скорости, достаточные для иони­зации атомов нейтрального газа при их встрече. Поэтому сила тока во внешней цепи определяется общим числом зарядов, образованных под действием внешнего ионизатора и под действием ионизации ударами электронов внутри рабочего объема камеры.

Кривая зависимости ионизационного тока камеры от величины приложенного напряжения носит название вольт - амперной характеристики. На участке характеристики

/

О и; иг и

/Улржж № жтрадая камеры

И

Рис. 9. Вольтамперная характеристика иони­зационной камеры.

От О до Б в газоразрядном промежутке происходит так называемый тихий разряд.

Ионизационные камеры работают, как правило, в об­ласти тока насыщения. Так как величина этого тока про­порциональна числу образующихся ионов, она может слу­жить мерой ионизационной способности радиоактивного излучения.

В зависимости от применения ионизационные камеры бывают двух типов. Камеры, используемые для измерения суммарной ионизации, вызванной прохождением через ее рабочий объем значительного количества ионизирующих частиц, называют интегрирующими ионизационными каме­рами. В такой камере, если она работает в области насы­щения, спустя очень небольшой промежуток времени после начала действия излучения, наступает равновесие между числом пар ионов, возникающих в камере за единицу вре­мени, и числом пар ионов, уходящих на электроды за то
же время. Величина тока насыщения равна произведению числа пар ионов, возникающих за секунду в одном куби­ческом сантиметре камеры, на ее рабочий объем и на заряд каждого иона. Поэтому величина тока насыщения может служить мерой мощности дозы излучения. Последняя про­порциональна числу пар ионов, образующихся в одном кубическом сантиметре в единицу времени.

Вторым типом являются счетно-ионизационные камеры, которые служат для регистрации и определения ионизаци­онной способности одной какой-либо ионизирующей час­тицы (например, ос-частицы), попавшей в рабочий объем камеры.

От ионизационной камеры до счетчика Гейгера — Мюллера

Рассмотрим устройство, представленное на рисунке 10, состоящее из металлического цилиндра, по оси которого

35

Радиоактивное излучение

Батарея питания Рис. 10. Схема включения и работы ионизационного счетчика.

На изоляторах натянута проволока — нить. Такое устрой­ство мы будем называть газоразрядным счетчиком. На ри­сунке показан поперечный разрез счетчика. Цилиндр со­единим с отрицательным полюсом батареи и поэтому

2*
Назовем его катодом; нить через сопротивление нагрузки — с положительным полюсом и будем называть ее анодом.

Если через рабочий объем счетчика пройдет ионизирую­щая частица, то на пути ее движения возникнут положитель­ные ионы и электроны[8]), которые под действием электриче­ского поля перейдут на электроды: электроны на нить, ионы на цилиндр. Во внешней цепи пройдет импульс тока, кото­рый образует импульс падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот импульс напряжения можно зафик­сировать с помощью регистрирующего устройства.

Рассмотрим, как будет изменяться количество электри­чества в импульсе тока в зависимости от величины прило­женного к счетчику напряжения. Вначале, при очень ма­лых напряжениях, так же как и в ионизационной камере, количество электричества в импульсе будет соответствовать неполному числу электронов, дошедших до нити, так как часть из них вследствие слабости электрического поля по пути успеет рекомбинировать. Поэтому с ростом напряже­ния на счетчике растет и количество электричества в им­пульсе. При некотором напряжении все электроны, образо­вавшиеся в процессе ионизации радиоактивной частицей, будут попадать на нить, и количество электричества в им­пульсе не возрастает. Наступает ток насыщения. Этому соот­ветствует горизонтальный участок кривой / на рис. 11.

Количество электричества в импульсе на этом участке определяется только ионизационной способностью первич­ного ионизатора. Чем больше эта способность, тем больше количества электричества в импульсе. Так, а-частице, обладающей наибольшей ионизационной способностью, соот­ветствует верхняя кривая. Область напряжения от О до Uu участок /, называют областью ионизационной камеры, так как на этом участке счетчик работает как ионизационная камера, т. е. величина собранного на электродах заряда равна суммарному заряду электронов, образованных в про­цессе ионизации.

Когда напряжение на счетчике превышает некоторую величину Uv при которой напряженность (сила) электри­ческого поля возрастает настолько, что электроны приобре­тают скорость, достаточную для производства ударной ионизации, количество электричества в импульсе возрас­тает за счет дополнительной ионизации газа соударяющими­ся электронами. При медленном увеличении напряжения этот процесс ударной ионизации сначала происходит толь­ко около нити, где напряженность поля наибольшая. Нам известно, что ионизация атома электроном может про­изойти только в том случае, когда энергия электрона будет равна или больше потенциала ионизации газа, в котором он движется. При каждой встрече с нейтральным атомом элек­трон теряет большую часть своей кинетической энергии.

^ ^ i/s % 1Г Лалряжете т Cvmvit/Re В вом/лаз? Рис. 11. Зависимость величины собранного на электроде заряда от на­пряжения на газоразрядном промежутке для больших и малых началь­ных ионизаций: /—область ионизационной камеры; //—область пропорционального усиления; ///—область ограниченной пропорциональности; IV— область самостоятельного разряда или область Гейгера; V— область непрерывного разряда.

Если напряженность электрического поля будет такой, при которой электрон до следующего столкновения успеет набрать энергию, равную потенциалу ионизации газа, то при столкновении произойдет акт ионизации, то есть из электронной оболочки атома освободится электрон. Этот «вторичный» электрон вместе с «первичным» вновь разго­няются полем и при следующих соударениях каждый из них вновь ионизирует атомы, создавая новые «вторичные» электроны.

Количество их быстро нарастает, наподобие грозных снежных лавин, скатывающихся по крутым склонам гор. Этот процесс поэтому и называют процессом образования электронных лавин. В результате этого процесса с увеличе­нием напряжения количество электричества в импульсе быстро нарастает (участок II на рис. 11).

При своем движении к нити электрон, образованный внешним ионизатором, рождает на своем пути большое чис­ло новых ионов и электронов. Очевидно, количество элек­тричества в импульсе на участке напряжений II будет во столько раз больше количества электричества в импульсе на участке /, во сколько раз «размножится» первичный элек­трон. Электрический ток в счетчике как бы умножает­ся, усиливается, так же как в фотоэлектронном умножи­теле.

Усиление достигает десятков тысяч раз. Число, в кото­рое увеличивается количество протекающего через счетчик электричества по сравнению с участком напряжений /, принято называть коэффициентом газового усиления. Ве­личина коэффициента газового усиления может изменяться в пределах от единицы, в случае когда счетчик работает в режиме ионизационной камеры (участок кривой /), и приблизительно до нескольких тысяч в конце участка II. На этом участке величина коэффициента газового усиле­ния не зависит от числа первичных электронов. Независи­мо от того, создан ли первичный импульс от укванта> ^-частицы или а-частицы, он усиливается в постояннее число раз.

Поэтому здесь, так же как и в камере, величина импульса будет пропорциональна ионизирующей способности радио­активного излучения, вследствие чего эту область назы­вают областью пропорционального усиления. А счетчик, работающий в этой области, называют пропорциональным счетчиком. Пропорциональные счетчики характеризуются не только тем, что величина коэффициента газового уси­ления б них не зависит от первоначального числа пар, созданных внешним ионизатором, а также и тем, что раз­ряд в них прекращается сразу же после прекращения внешней ионизации. Такой вид разряда называется не­самостоятельным разрядом. С увеличением напряжения коэффициент газового усиления возрастает.

При дальнейшем увеличении напряжения выше U2 ко­эффициент усиления начинает зависеть от величины началь­ной ионизации. Для импульсов, получающихся в резуль­тате прохождения частиц с большой ионизирующей способ­ностью, коэффициент усиления меньше, чем для им­пульсов от частиц с малой ионизирующей способностью Поэтому область напряжений от U2 до Uz называют об­ластью ограниченной пропорциональности.

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчи­ке, то величина количества электричества в импульсе уже не зависит от величины начальной ионизации. В этом слу­чае счетчик вступает в режим самостоятельного разряда, т. е. такого разряда, при котором, если не принять специаль­ных мер, возникающий разряд не прекращается после уда­ления внешнего ионизатора, т. е. разряд сам себя поддер­живает. Область напряжений от Uz до получила наз­вание области Гейгера, а счетчики, работающие в этом режиме,— счетчиков Гейгера — Мюллера, или газораз­рядных счетчиков.

У этих счетчиков величина импульса напряжения на нагрузочном сопротивлении не зависит от первоначальной ионизации. Вследствие этого такие счетчики не могут слу­жить непосредственно для измерения ионизирующего дей­ствия излучения. Но эти счетчики обладают огромной чув­ствительностью: достаточно в счетчике появиться хотя бы одному электрону, как в нем рождается электронная лави­на и во внешней цепи пройдет импульс тока.

Если напряжение на счетчике поднять выше точки £/4, счетчик вступает в область непрерывного разряда и стано­вится непригодным для регистрации ионизирующих частиц.

Таким образом, в зависимости от приложенного напря­жения счетчик может работать как ионизационная камера, как пропорциональный счетчик и как газорязрядный счет­чик Гейгера — Мюллера. Однако на практике они пред­ставляют собой три типа различных приборов с различными конструкциями и в зависимости от назначения применяют тот или иной прибор.

В дальнейшем мы остановимся на рассмотрении только счетчиков с самостоятельным разрядом — газоразрядных счетчиков.

III. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ

А) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ С А МО ГАСЯЩИЕСЯ СЧЕТЧИКИ

От счетчика Резерфорда и Гейгера до галогенных счетчиков

Первые газовый разряд для обнаружения отдельных ра­диоактивных частиц был применен в 1908 году Резер - с|)ордом и Гейгером. Их прибор состоял из металлического цилиндра, по оси которого на изолирующих пробках, за­крывающих цилиндр с обоих концов, натягивалась тонкая проволока-нить. Между цилиндром и нитью прикладыва­лась разность потенциалов около 1300 в. Трубка напол­нялась окисью углерода или воздухом до давления в не­сколько десятков миллиметров ртутного столба[9]). Для сче­та а-частиц последние впускались в трубку через очень тонкое слюдяное окно или через кран с большим отвер­стием, соединенный с объемом, в котором был помещен образец радиоактивного вещества.

Этот прибор был первым ионизационным газовым счет­чиком, причем пропорциональным счетчиком. Величина импульса тока в таком счетчике зависела от места и угла попадания а-частиц в счетчик. Для того чтобы свести на нет зависимость величины импульса тока от места попада­ния частицы в счетчик, Резерфорд и Гейгер изменили кон­струкцию счетчика, сделав его в виде полусферы, в центре которой вместо нити помещался маленький шарик. Счетчик наполнялся гелием до давления 300 мм рт. ст. С помощью этого счетчика можно было подсчитать только а-частицы, так как ионизация, вызванная р - и у-излучением была очень незначительна, несмотря на газовое усиление: В то время не было таких усилительных радиотехнических схем, кото­рые имеются сейчас, а поэтому измерить очень слабые токи не представлялось возможным.

В 1913 году Гейгер предложил увеличить прикладыва­емое напряжение и изменить форму электродов, сделав ее такой, при которой напряженность электрического поля увеличивалась. Счетчик наполнялся воздухом до атмосфер­ного (нормального) давления, а напряжение было увели­чено до 1800 в. В результате этого в счетчике возникал само­стоятельный разряд. Таким счетчиком уже можно было об­наруживать р - и у-излучения, но нельзя было отличать один вид излучения от другого, потому что величина импульса тока определялась свойствами самостоятельного разряда, а не природой ионизирующих частиц.

В 1928 году Гейгер и Мюллер вновь возвратились к ци линдрической конструкции счетчика с воздушным напол­нением при давлении 50 мм рт. ст. с напряжением на счет­чике, достаточным для возникновения самостоятельного разряда.

Для того чтобы можно было подсчитать отдельные радио­активные частицы, необходимо, чтобы после прохождения частицы через счетчик возникающий в нем самостоятельный разряд быстро угасал с тем, чтобы счетчик был вновь под­готовлен к приему очередной частицы.

В разработанном Гейгером и Мюллером счетчике га­шение разряда происходило за счет включения в цепь по­следовательно со счетчиком большого нагрузочного со­противления. Проходящий через это сопротивление им­пульс тока вызывал на нем падение напряжения. Это приводило к уменьшению напряжения на счетчике и раз­ряд в нем прекращался.

В 1937 году Трост обнаружил, что если счетчик наполнить смесью инертного газа с парами спирта, то даже при малом сопротивлении нагрузки в цепи счетчика возникающий раз­ряд быстро прекращается. Такие счетчики были названы самогасящимися в отличие от счетчиков, где гашение про­изводилось большим сопротивлением. Счетчики, напол­ненные такой смесью, получили быстрое распространение ввиду простоты их изготовления.

В том же 1937 году Гейгер и Гахель сообщили, что к инертному газу в счетчике можно прибавлять не только многоатомные газы и пары (спирт, метан, бутан и др.), но и галогены — элементы седьмой группы таблицы Менде­леева (хлор, бром). В этом случае счетчики также становят­ся самогасящимися, и притом приобретают ряд преимуществ по сравнению со спиртовыми счетчиками. Однако в виду того, что галогены являются химически активными газами, развитие и распространение галогенных счетчиков шло значительно медленнее спиртовых. И только в послевоен­ные годы они начали широко применяться и выделились в самостоятельный вид счетчиков под названием низковольт­ных галогенных счетчиков Гейгера—Мюллера.

Советские ученые и исследователи сделали серьезный вклад в дело развития теории работы ионизационных газо­вых счетчиков, создали оригинальные конструкции счет­чиков для различных целей, а промышленность успешно освоила их выпуск. В настоящее время наша промышлен­ность выпускает много газоразрядных счетчиков различ­ного назначения: для измерения у-излучения (у-счетчики), как спиртовые, так и галогенные для измерения кос­мических лучей, для (J-частиц, для а-излучения, счет­чики фотонов и др.

Как изготовляется спиртовый гамма-счетчик

На рисунке 12 показано устройство одного из спиртовых счетчиков типа АММ, выпускаемых советской промышлен­ностью. Счетчик представляет собой стеклянный баллон, на внутренние стенки которого на лаке нанесен катод из медного порошка. От катода через стекло сделан вывод наружу. По центру баллона на пружине натянута вольф­рамовая нить, диаметром 0,1 мм, конец которой также выве­ден наружу. Нить с обоих концов проходит через стеклян­ные охранные «соломки», о назначении которых мы расска­жем позднее. Выводы от катода и нити припаиваются

Рис. 12. Устройство спиртового счетчика.

К металлическим цоколям, приклеенным к корпусу счетчи­ка на цокольной мастике.

Счетчики этого типа наполнялись газовой смесью, со­стоящей из 85% инертного газа аргона и 15% метилаля (метилового спирта). Отсюда и марка счетчика АММ (арго - нометилалевый с медным катодом).

Несмотря на кажущуюся простоту устройства счетчи­ков, производство их является сложным и ответственным, требующим тщательного соблюдения технологического про­цесса и чистоты, так как от этого зависит их качество рабо­ты, однообразие их электрических свойств, отвечающих техническим условиям. Чтобы иметь представление о производстве, посмотрим как изготовляется спиртовый счетчик.

Поступившее на завод стекло в виде трубок нужного диаметра проходит отборочную сортировку как на отсут­ствие внешних дефектов стекла, так и на пригодность его по внутренним свойствам. Так, в состав многих неоргани­ческих стекол входят окислы щелочных металлов. Извест­но, что изотоп[10]) химического элемента калия—калий-40 обладает радиоактивностью. Если из стекла, в котором присутствует изотоп калий-40, изготовить баллон счетчи­ка, то такой счетчик будет обладать повышенным естест­венным фоном.

Естественным или натуральным фоном счетчика принято называть среднее число импульсов в единицу времени, ре­гистрируемое счетчиком при отсутствии радиоактивных источников. Величина фона зависит в основном от наличия космического излучения, а также от наличия радиоактивных загрязнений воздуха помещения и стенок счетчика. Опыт­ным путем установлено, что в среднем на один квадратный сантиметр поверхности счетчика приходится один-два им­пульса в минуту.

Заготовки стеклянных баллонов подвергаются тщатель­ной промывке в горячей воде с последующим прополаскива­нием их дистиллированной водой. Чисто вымытыми считают­ся такие стеклянные баллоны, поверхность которых хорошо смачивается водой, т. е. вода растекается по поверхности ровным слоем. После этого заготовки сушатся в сушильном шкафу при температуре 100° С в течение получаса. Затем с помощью лака, приготовленного путем растворения цел­лулоида в смеси бутилацетата с ацетоном, на внутреннюю поверхность баллона наносят тонкий слой порошка чистой меди. Далее, с помощью специального приспособления натягивают и центрируют тонкую вольфрамовую нить и запаивают баллон с одного конца. Изготовленные таким образом счетчики припаиваются к вакуумной установке, с помощью которой из счетчиков откачивается воздух до очень низкого давления (до миллионных долей милли­метра ртутного столба).

Так как поверхности стекла и металлических деталей содержат на себе много адсорбированных молекул газов, то при откачке любого электровакуумного изделия его пред­варительно обезгаживают. Для этого припаянные счетчики накрывают электрической печью, нагревают их до темпера­туры 300° С в течение 45 минут; при этом выделяющиеся га­зы непрерывно откачивают. Затем печь снимают, счетчи­кам дают остыть до комнатной температуры, после чего их наполняют газовой смесью, состоящей из 85% аргона и
15% паров метилаля. После этих операций счетчик отпаи­вается от системы и проверяется на соответствие его элек­трических параметров техническим условиям.

Рабочая характеристика счетчика

Спиртовые самогасящиеся счетчики используются толь­ко в так называемом импульсном или счетном режиме, т. е. их применяют только для подсчета числа отдельных частиц, проходящих через счетчик. Поэтому свойства счет­чика как измерительного прибора определяются его счет­ной или рабочей характеристикой.

Счетной характеристикой называют кривую, показыва­ющую зависимость числа разрядов в счетчике в единицу

Н
-Л, /7мта N2
		1 1 »
	№ .	« « * » Ii - —

Ш т ж /т ж 7Ж Навяжете на Wemi/Xe В яальтаз? Рис. 13. Счетная характеристика счетчика.

1 I I I I

U

Времени от величины подаваемого на счетчик напряжения. На рисунке 13 приведена типичная счетная характеристи­ка спиртового счетчика. Напряжение, при котором счет­чик начинает считать, т. е. при котором в счетчике впервые возникают разряды, принято называть напряжением на­чала счета (£/н<с). Если счетчик включить в электрическую цепь так, как показано на рисунке 10, и медленно повышать напряжение, то при напряжении, равном UHtC (рис. 13), в счетчике возникнут разряды, импульсы.

Величина этого напряжения зависит от многих причин, главными из которых являются природа газов, входящих в состав смеси, давление основного и гасящего газа. На вели­чину напряжения начала счета оказывают влияние и дру­гие причины, о которых мы узнаем ниже. Это напряжение

Для спиртовых счетчиков типа АММ колеблется в пределах от 650 до 800 в. При дальнейшем увеличении приложенного напряжения число считаемых импульсов сначала быстро возрастает, а затем, начиная с напряжения, соответствую­щего точке Л, остается примерно постоянным до точки В. После точки В число разрядов снова возрастает с увеличе­нием напряжения.

На начальном участке счетной характеристики быстрый рост числа импульсов объясняется тем, что счетчик рабо­тает в области ограниченной пропорциональности, где воз­никновение разряда в счетчике зависит от числа первона­чально образованных пар ионов. Следовательно, не каждая частица, попавшая в счетчик и создавшая некоторое коли­чество ионов, вызывает вспышку самостоятельного разря­да. Поэтому при малом напряжении число разрядов в еди­ницу времени меньше того числа разрядов, которое счетчик дает на участке от Л до В. Начиная с точки А, счетчик реги­стрирует все частицы, которые, проходя через счетчик, создают в нем хотя бы одну пару ионов (электрон-ион).

Относительно горизонтальный участок счетной харак­теристики, где число импульсов в единицу времени (скорость счета) не зависит от приложенного напряжения, обычно называют «плато» счетчика. Протяженность плато счет­чика, выраженная в вольтах, является одним из важных его параметров. Величину рабочего напряжения на счет­чике Uv обычно выбирают в середине плато. Если плато счетчика достаточно длинное, то колебания рабочего на­пряжения на счетчике во время его работы не страшны. В этом случае мы не можем случайно оказаться либо слева от точки А, либо справа от точки В, где показания счетчика будут неверны. Разность между величиной рабо­чего напряжения и началом счета называют перенапряже­нием на счетчике.

Другим важным параметром счетчика, от которого зави­сит правильность его показаний, является наклон плато. У идеального счетчика плато должно быть горизонтальным. На самом деле у всех счетчиков этот участок не горизон­тален, а имеет наклон к оси напряжения под некоторым углом, т. е. скорость счета с изменением напряжения не остается постоянной, а несколько возрастает. Величина этого наклона зависит от очень многих причин: от парамет­ров схемы, в которую включен счетчик, от конструкции счетчика, от технологии изготовления, от свойств мате­риала катода и его обработки, от природы и давления газа и т. п. Наклон плато определяется как отношение разности в скорости счета в начале и в конце плато протяжен­ностью в 100 в к средней скорости счета. В этом случае на­клон выражается числом процентов на 100 в. Наклон может также определяться отношением разности в ско­рости счета на полной длине плато к скорости счета в се­редине плато, разделенным на протяженность плато

2 11

Где К—наклон плато в процентах на 1 в, Nx — скорость счета в начале плато, N2— скорость счета в конце плато; /п— протяженность плато в вольтах.

В этом случае наклон выражается в процентах на 1 в. Наклон плато показывает нам, на какую величину мы неправильно определили истинную скорость счета при слу­чайном изменении рабочего напряжения на счетчике на 1 в. Наклон плато спиртовых счетчиков обычно не превы­шает 0,1—0,15% на один вольт.

При увеличении напряжения на счетчике выше точ­ки В скорость счета вновь возрастает. Это происходит за счет появления так называемых самопроизвольных раз­рядов, о причине возникновения которых будет рассказано ниже.

Электрон в газе

Если электрон под действием электрического поля дви­жется в вакууме (практически в безвоздушном простран­стве), то, очевидно, его путь почти совпадает с направле­нием силовых линий поля, так как при движении электрон на своем пути не встречает никаких препятствии.

Несколько другой характер имеет движение элек­трона в газе. При отсутствии электрического поля элек­трон движется беспорядочно, так же как и молекулы газа. В этом случае говорят, что электрон имеет тепловое движение. При наличии электрического поля на беспоря­дочное тепловое движение электрона накладывается направ­ленное движение вдоль силовой линии поля. Поэтому путь электрона от одного столкновения до другого становится уже не прямолинейным, а изгибающимся в направлении силовой линии поля, как показано на рисунке 14, где пре­рывистыми стрелками указан путь, который имел бы элек­трон после упругого столкновения с атомами. Под действием электрического поля электрон, проходя сложный зиг­загообразный путь, постепенно приближается к положи­тельному электроду.

Энергия и скорость электрона при движении его от одного электрода к другому постоянно увеличиваются. Од­нако при каждом упругом и неупругом столкновении элект­рон теряет часть своей энергии. Средняя доля энергии, теряемая частицей при каждом упругом столкновении, постоянна и пропорциональна массе электрона и обратно

Атм> Аа77раеяеняе злешричесхш лаля Рис. 14. Влияние электрического поля на дви­жение электрона в газе.

Пропорциональна массе атома или молекулы, с которой он столкнулся. При неупругих столкновениях электрон теряет определенное количество энергии, равное энергии иониза­ции или возбуждения газа, в котором он движется. Установ­лено, что число упругих столкновений значительно больше числа неупругих.

Ионы в газе и на поверхности катода

Характер движения положительных или отрицательных ионов в газе, находящемся в электрическом поле, такой же, как и электронов, однако скорости движения их зна­чительно ниже, чем скорости движения электронов. Сред­няя скорость движения иона в отличие от средней скоро­сти движения электрона определяется главным образом скоростью теплового движения. Так, например, при ком­натной температуре скорость теплового движения ионов в воздухе приблизительно равна 500 метрам в секунду, тогда как при наложении электрического поля напряженностью в 100 в/см скорость движения иона в направлении электриче­ского поля равна всего лишь 2,2 м/сек. Это почти в 200 раз меньше, чем скорость теплового движения. Поэтому ионы по сравнению с электронами будут двигаться в направле­нии своего электрода чрезвычайно медленно.

При своем движении ион претерпевает очень большое чис­ло столкновений. Так, например, при движении иона в газе при атмосферном давлении он сталкивается миллиард раз в секунду с молекулами газа.

При этих столкновениях первичный ион может передать свой заряд молекуле такого же газа или молекуле какой - либо примеси, может присоединиться к молекуле, образо­вав сложный ион.

При подходе к поверхности металического катода положительный ион (например, ион аргона) создает у этой поверхности электрическое поле очень большой напряжен­ности (миллиарды вольт на один сантиметр). Но известно, что при напряженности электрического поля, равной при­мерно 30—50 млн. ejcMy из проводника выходят электроны. Поэтому при подходе к поверхности проводника на рассто­яние около 10 А положительный ион вырывает из провод­ника электрон. Это вырывание происходит без увеличения энергии электрона, то есть он выходит не через потенци­альный барьер, а проходит сквозь него (так называемый туннельный переход). Этот электрон захватывается поло­жительным ионом, который превращается при этом в ней­тральный атом. Но в зависимости от энергии иона, атом может быть как в нормальном состоянии, так и в возбуж­денном.

Если энергия возбуждения атома будет выше удвоенной работы выхода металла, он может вырвать из металла еще один электрон. Последний окажется свободным и начнет свое движение к аноду. Так, например, для медного катода работа выхода равна 4—4,5 эв, а потенциал ионизации ар­гона около 15,7 эв. При подходе к катоду ион затратит 4,7 эв На вырывание электрона из металла.

Поэтому нейтрализовавшийся ион аргона останется в возбужденном состоянии с энергией около 11 эв. Следо­вательно, такой атом имеет возможность вырывать из ме­талла еще один электрон, так как его энергия выше удво­енной работы выхода меди.

Как возникает разряд в счетчике с чистым газом

Как мы уже видели, энергии у-квантов достигают очень больших величин — от сотен тысяч до миллионов электрон - вольт. При такой энергии электрон, выбитый из атома газа внутри рабочего объема счетчика или из стенок, будет обладать также очень большой энергией. Этот электрон, ионизируя газ, создает в рабочем объеме счетчика ряд электронов с тепловыми энергиями.

Предположим, что такой тепловой электрон появился в счетчике, наполненном чистым аргоном (электрон, обозна­ченный цифрой 1 на рисунке 15. На этом рисунке показана

У-маш ^ Рис. 15. Нарастание электронных лавин и распро­странение разряда в счетчике с инертным газом.

Часть счетчика, разрезанного вдоль оси). Этот электрон под действием электрического поля (направление поля на рисунке показано вертикальными стрелками) будет дви­гаться к положительно заряженной нити. На своем пути он беспрестанно будет сталкиваться с нейтральными ато­мами газа. При каждом упругом столкновении он почти не будет отдавать своей энергии, отлетая от атомов, как уп­ругий шарик. При неупругих же столкновениях электрон отдает полностью или часть своей энергии атому (точнее одному из оптических электронов оболочки атома). При этом атом возбуждается (рис. 15,В). А электрон, отдав свою энергию, вновь начинает двигаться к аноду, все время на­бирая энергию из электрического поля.

Возбужденный же атом высвечивает квант света (на ри­сунке кванты показаны зигзагообразными стрелками). Пока первичный электрон находился недалеко от катодг, он не успевал приобрести большую энергию на пути сво­бодного пробега. Поэтому отдаваемая им атому энергия не­велика и, следовательно, кванты света от возбужденного атома обладают небольшой энергией. По мере продвиже­ния первичного электрона вперед, где в силу цилиндриче­ской конфигурации электродов поле нарастает, на пути свободного пробега он приобретает большую энергию. При очередном неупругом столкновении теперь он передает ато­му большую энергию. В силу этого и квант света, высвечен­ный этим атомом, будет обладать большей энергией.

Наконец, первичный электрон войдет в такую область поля, что приобретенная им из поля энергия и переданная при очередном столкновении нейтральному атому возбу­дит последний до высокого энергетического уровня. При переходе с этого уровня в нормальное состояние атом может высветить квант большой энергии. Кванты света от возбуж­денных атомов могут распространяться в любые стороны. Если такой квант света обладает энергией, большей, чем работа выхода металла, то при попадании на катод он выбьет из него электрон (на рисунке 15 такие электроны обозначены цифрами 2 и 5).

Но вернемся к первичному электрону. Попадая в об­ласть поля, где он на пути свободного пробега приобре­тает энергию, равную потенциалу ионизации газа (или большую ее), электрон при очередном неупругом столкно­вении ионизирует атом, то есть оторвет от него один внеш­ний электрон. Следовательно, при таком столкновении об­разуется два электрона и положительный ион, означен­ный на рисунке кружком с крестиком.

Положительный ион под действием поля начнет медлен­но, по сравнению с движением электрона даже слишком медленно двигаться к катоду. Из этой же точки в направ­лении к аноду начнут свое движение два уже знакомые нам электрона. При очередных столкновениях каждый из них создаст еще по одному электрону и иону, то есть по па­ре ионов. После этого начнут свое движение четыре элект­рона, которые создадут еще четыре новых пары. Таким образом, происходит быстрый процесс размножения элект­ронов и ионов. Как мы уже говорили, этот процесс назвали образованием электронной лавины. Такой процесс услов­но показан на рисунке 15. Цифрой 1 означена первая ла­вина.

Квант света, который создал электрон <2, является родо­начальником второй электронной лавины. Потом возникает третья, четвертая и т. д. Разряд, возникающий в области, где низверглась первая лавина электронов, начинает рас­пространяться вдоль счетчика вправо и влево. Вскоре все пространство, прилегающее к нити, будет охвачено разря­дом.

Возникает негаснущий самоподдерживающийся разряд. Счетчик становится нечувствительным к радиоактивному излучению.

Для того чтобы разряд самопроизвольно угасал и, после прохождения частицы, счетчик был готов к приему следую­щей радиоактивной частицы, к основному газу аргону до­бавляют небольшую (порядка 10—15%) добавку так назы­ваемой гасящей примеси, способной гасить разряд. Такими примесями в спиртовых счетчиках служат пары органиче­ских соединений, с довольно крупными молекулами. Од­ним из таких веществ является метиловый спирт.

Пары спирта поглощают фотоны

Добавление к основному газу гасящей примеси меняет картину разряда, описанную в предыдущем разделе. Так же как и раньше, образовавшийся тепловой электрон дви­жется в направлении нити. В области с не очень сильным полем электрон при неупругих столкновениях возбуждает атомы газа. Так же как и раньше, возбужденные атомы ис­пускают фотоны. Однако теперь, при наличии примеси паров спирта, ни один фотон не попадает на поверхность катода, их поглощают молекулы спирта.

Многоатомные молекулы способны поглощать коротко­волновые ультрафиолетовые излучения в широкой обла­сти. Эта область для различных веществ различна. Так, например, у метана наблюдается сплошной спектр погло­щения от 850 до 1450А, у аммиака эта область лежит ниже 1200 А, у этилового спирта спектр сплошного поглощения лежит ниже 2000 А и т. д.

Гасящая примесь будет настолько сильно поглощать фотоны, что на катод они практически не попадут — они станут поглощаться в малом объеме, расположенном близ­ко к нити. Это приводит к тому, что разряд будет распрост­раняться от точки к точке вдоль нити. Поэтому в противопо­ложность тому, что мы имели при наполнении счетчика чистым газом, где разряд быстро охватывал весь объем счетчика, распространение разряда в счетчиках, напол­ненных парами многоатомных веществ, происходит не мгно­венно, а за определенный конечный промежуток времени.

Разряд распространяется в непосредственной близости от нити и постепенно охватывает все новые и новые ее участ­ки. Что это происходит именно так, показывает опыт: если на нити укрепить небольшую (диаметром всего лишь в 0,5 мм) Стеклянную бусинку, разряд перестает распространяться.

Многоатомные молекулы спирта при поглощении фото­нов быстро распадаются на более мелкие молекулы или отдельные атомы.

Таким образом, в силу того, что фотоны не попадают на катод, выхода вторичных электронов с катода под действи­ем ультрафиолетового излучения разряда не происходит. Этим устраняется одна из возможностей зажигания нового разряда, не отвечающего прохождению ионизирующей частицы.

Пары спирта гасят разряд

Очевидно, чтобы прекратить разряд в счетчике, необ­ходимо устранить причины, которые поддерживают разряд после прохождения радиоактивной частицы через объем счетчика, другими словами, надо устранить причины, по которым в объеме счетчика возникают электроны, приво­дящие к образованию нового разряда или поддержанию уже имеющегося.

Мы только что рассмотрели, как многоатомные молеку­лы поглощают ультрафиолетовое излучение, возникающее в процессе разряда, и не дают ему возможности создавать фотоэлектроны с катода. Другой причиной возникновения вторичных электронов с катода, как мы видели на стр. 48, является нейтрализация на катоде положительных ионов большой энергии. И эта причина устраняется примесью паров спирта.

Как же это происходит? Чем объясняется такое свойство паров спирта? Объясняется это соотношением между вели­чинами потенциалов ионизации молекул спирта и аргона. Потенциал ионизации аргона 15,7 эв, спирта — около 11,3 эв. Образовавшиеся в процессе развития лавин поло­жительные ионы аргона, медленно двигаясь к катоду, пре­терпевают огромное число соударений как с нейтральными атомами основного газа, так и с молекулами спирта. Так, в счетчике АММ, в котором содержится 85% аргона и 15% паров спирта, на пути к катоду ионы аргона претерпевают около ста тысяч соударений с молекулами спирта.

Поскольку потенциал ионизации аргона выше, чем потенциал ионизации спирта, то ион аргона может оторвать один электрон от молекулы спирта и присоединить к себе, превратившись в нейтральный атом аргона. Так как на такой отрыв электрона ион аргона затратит 11,3 энергии, то оставшиеся 4,4 эв он высветит в виде кванта света, кото­рый поглотится парами спирта.

Таким образом, на катод приходят ионы спирта, обла­дающие значительно меньшей энергией. При подходе к поверхности катода ионы спирта нейтрализуются — выры­вают из металла один электрон и присоединяют к себе. Поскольку работа выхода электронов из меди 4,7 эв, то такую энергию ион спирта потратит на вырывание электро­на. Остается возбужденная молекула спирта с энергией 6,6 эв. Эту энергию молекула спирта могла бы отдать двумя способами: испустить фотон или, подойдя ближе к катоду, затратить энергию на вырывание электрона.

Однако ни того ни другого не произойдет, потому что время жизни возбужденной молекулы спирта, до того как она распадется (диссоциирует), всего лишь около 10~13 сек. Время жизни по отношению к излучению составляет около 10~7 сек., а время, необходимое иону для того, чтобы он подошел к катоду на расстояние, достаточное для вырыва­ния электрона, составляет около 10~12 сек. Из этого сле­дует, что возбужденная молекула спирта распадается на составные части—отдельные атомы или более мелкие моле­кулы — значительно раньше, чем успеет испустить фотон или подойти ближе к поверхности катода. Поэтому нового свободного электрона не образуется и разряд поддержать будет нечем — он погаснет.

Однако все же вероятность высвечивания возбужден­ной молекулы спирта хотя и малая, но имеется. В среднем будет иметь место один случай на миллион, когда возбуж­денная молекула спирта перейдет в нормальное состояние путем испускания кванта света. Но если при этом учесть, что выход фотоэлектронов из катода под действием кван­тов света невелик — всего один электрон на 10 ООО кван­тов,— то один вторичный электрон может быть образован на 10 миллиардов положительных ионов. Так как в одной лавине образуется в среднем один миллиард положитель­ных ионов, то и наблюдается один двойной импульс (второй создан за счет вторичного электрона) на 10 нормальных. По мере увеличения напряжения, приложенного к счет­чику, количество ионов, образующихся в разряде, возрас­тает. Это приводит к увеличению двойных и тройных им­пульсов. Как следствие этого мы наблюдаем наклон плато счетной характеристики счетчика. Наконец, при значитель­ном повышении напряжения на счетчике число сложных импульсов возрастает настолько, что в счетчике возникает негаснущий, непрерывный разряд.

Таким образом, мы видим, что одним из условий успеш­ного гашения разряда внутри счетчика является различие в потенциалах ионизации основного газа и паров многоатом­ной примеси. Второй характерной особенностью гасящей примеси, в частности спирта, является наличие широкой области поглощения в коротковолновой ультрафиолето­вой части спектра.

В качестве основного газа для наполнения таких счет­чиков применяют инертные газы: аргон (потенциал иониза­ции 15,7 эв), гелий (24,5 эв), криптон (13,9 эв) и другие. В качестве гасящей примеси, кроме спирта применяются метан (14,4 эв), ацетон (10,1 эв), ацетилен (11 эв) и многие Другие.

«Мертвое» время счетчика

Мы знаем, что скорость передвижения положительных ионов примерно в 1000 раз меньше скорости передвижения электронов. Поэтому за время образования электронных лавин ионы практически остаются на месте. В результате около нити образуется плотный цилиндрический чехол из положительно заряженных ионов. По мере того, как про­исходит разряд, слой пространственного заряда положи­тельных ионов нарастает. В результате он уменьшает силу поля вблизи нити до величины, слишком малой для поддер­жания разряда. В этот момент электроны удерживаются на нити полем положительных ионов.

По мере того как положительный ионный чехол расши­ряется, передвигаясь к катоду, электроны начинают сте­кать с нити, давая начало импульсу напряжения на на­грузке. При этом очевидно, что скорость освобождения электронов на нити зависит от скорости расширения ионного чехла. А скорость движения положительных ионов приблизительно пропорциональна силе (напряженности) электрического поля счетчика, которое в цилиндриче­ском счетчике меняется обратно пропорционально расстоя­нию от нити до катода.

Таким образом, пока напряженность поля вблизи нити не восстановится до своего первоначального значения, раз­ряд в счетчике возникнуть не может, то есть счетчик не чувствует прохождения ионизирующей частицы — счет­чик находится в нерабочем «мертвом» состоянии. Счетчик будет полностью готов к работе после того, как положи­тельные ионы отойдут от нити на такое расстояние, при кото­ром напряженность поля вблизи нити примет первоначаль­ное значение. Такое положение может наступить только тог­да, когда положительные ионы придут на катод. Однако счетчик «оживает», то есть становится чувствительным зна­чительно раньше, но импульсы в этот момент будут неболь­шими. Это произойдет тогда, когда положительные ионы отойдут от нити на некоторое расстояние, называемое кри­тическим радиусом. Время, в течение которого положитель­ные ионы отойдут от нити на критическое расстояние, назы­вают мертвым временем счетчйка. В это время в счетчике вообще невозможна вспышка самостоятельного разряда.

Время, в течение которого положительные ионы движут­ся от критического расстояния до катода, называют вос­становительным временем счетчика. «Мертвое» время и время восстановления счетчиков нормальных размеров примерно равны между собой. Продолжительность их порядка нескольких сотен микросекунд[11]) и зависит от величины разности между рабочим напряжением и потен­циалом зажигания счетчика. Эту разность называют перенапряжением на счетчике.

Продолжительность жизни счетчика

Как мы видели, гашение разряда производится много­атомными молекулами. В процессе гашения многоатомные молекулы паров гасящей примеси распадаются, в резуль­тате чего образуются более легкие молекулы. В частности, опытами установлено, что в результате длительной работы спиртового счетчика спирт распадается на молекулы аце­тилена, метана, углерода, водорода, кислорода и другие.

В счетчике средних геометрических размеров имеется около 1020 молекул спирта. При каждом импульсе на като­де или в результате фотораспада в момент разряда диссоци­ируют около 109—1010 ионов спирта. Отсюда видно, что через десять миллиардов (1010) импульсов все молекулы распадутся. Опытом подтверждается, что счетчики, наполненные смесью аргона и спирта, выдерживают около 109—1010 импульсов. «Старение» счетчика замеча­ется по изменениям его свойств: увеличению наклона пла­то за счет уменьшения и изменения гасящих свойств при­меси, увеличению потенциала зажигания за счет увеличе­ния количества новых молекул в гасящей примеси. И на­конец, когда счетчик отсчитывает 109 импульсов, качество счетной характеристики настолько ухудшается, что даль­нейшее применение счетчика становится невозможным.

Однако ухудшение характеристики счетчика (старение счетчика) происходит не только за счет распада гасящей примеси, но и за счет изменения поверхности катода в ре­зультате осаждения на ней продуктов распада молекул. Опыт доказывает это утверждение. Был изготовлен счетчик, у которого катод разделен на отдельные изолированные друг от друга секции. Таким образом, счетчик как бы состо­ял из ряда отдельных счетчиков. Прибор наполнялся арго­ном и метаном. Включалась на длительную работу одна из секций и через определенное число импульсов счетчик, состоящий из секции катода и нити, выходил из строя, то есть старел.

Затем включалась соседняя секция и оказывалось, что она работает как отдельный новый счетчик. Следует отме­тить, что эта причина старения наиболее свойственна счет­чикам, в которых в качестве гасящей примеси применяется метан, бутан, пропан и др. Если отслуживший срок службы счетчик наполнить новой газовой смесью, то он все равно не работает. Для того чтобы он вновь заработал, перед наполнением необходимо промыть катод раствори­телем, удаляющим органические осадки.

Влияние температуры окружающей среды на работу счетчика

Вопрос об изменении характеристик счетчика при из­менении температуры окружающей среды приобретает очень важное значение в случае применения счетчиков в полевых условиях при геологоразведочных работах.

Изменение общего давления газа в счетчике за счет из­менения окружающей температуры незначительно. Но за­висимость давления паров гасящих примесей органических соединений от температуры велика и этим пренебрегать нельзя. Так, при понижении температуры в результате кон­денсации паров резко убывает число гасящих молекул и счетчик может перестать действовать. При повышении тем­пературы давление гасящей примеси повышается, что при­водит к повышению потенциала зажигания счетчика, но существенных изменений счетной характеристики не вызы­вает. Понижение температуры до 20° С ниже нуля делает счетчик совершенно непригодным к работе.

Б. НИЗКОВОЛЬТНЫЕ ГАЛОГЕННЫЕ САМО ГАСЯЩИЕСЯ СЧЕТЧИКИ

Напряжение зажигания газового разряда

Исследования электрического разряда в чистых газах и в газовых смесях, произведенные многими учеными, пока­зали, что величина напряжения[12]), при котором вспыхивает самостоятельный разряд в газоразрядном промежутке, за­висит от многих причин. Так было установлено, что напря­жение зажигания самостоятельного разряда в одном и том же газе или в одной и той же газовой смеси зависит от ин­тенсивности радиоактивного или другого ионизирующего излучения, от состояния поверхности электродов, от рас­стояния между электродами, от величины давления газд или газовой смеси в разрядном промежутке и, наконец, от природы газа.

Характер изменения напряжения зажигания от рас­стояния между электродами и давления для чистых газов и для различных смесей остается один и тот же. На ри­сунке 16 показана зависимость напряжения зажигания от произведения давления газа в миллиметрах ртутного столба на расстояние между электродами в миллиметрах. Эти кри­вые носят название кривых Пашена. Как видно из рисунка, характер изменения напряжения зажигания остается один и тот же как для воздуха, представляющего собой смесь многих газов, так и для одного газа — водорода.

Такой характер изменения напряжения зажигания раз­ряда объясняется следующим. Если в газоразрядном про­межутке при неизменном расположении электродов изме­нять давления газа, то при переходе от больших давлений к малым увеличивается длина свободного пробега электронов в газе. Поскольку длина свободного пробега электрона увеличилась, на расстоянии каждого свободного пробега

0 г 4 6 8 70 72 74 № 78 20 2Z 24 26 28 3D Рис. 16. Кривые Пашена для воздуха и водорода.

Электрон проходит большую разность потенциалов, то есть запасается большей энергией. Поэтому увеличивается его возможность ионизировать атомы газа при столкновениях. Но зато число столкновений между электроном и атомами газа при его движении к аноду значительно уменьшается. А по этой причине при переходе в сторону малых давлений до точки, соответствующей самой низкой точке кривой, преобладает явление увеличения энергии, а при дальней­шем уменьшении преобладает уменьшение числа столкно­вений. После этого, если при неизменном давлении умень­шать расстояние между электродами, то возрастает сила (напряженность) поля, что увеличивает скорость электро­нов, а с другой стороны, уменьшается пространство, в ко­тором развиваются лавины. Одновременно действие этих двух причин приводит к тому, что кривая Пашена имеет низшую точку, соответствующую наименьшему напряжению зажигания газового разряда.

Чем выше потенциал ионизации газа, тем выше будет напряжение зажигания разряда в нем, так как при этом требуется большая напряженность поля, потребная для сообщения электрону необходимой для ионизации газа энергии.

В смеси газов процессы, определяющие зажигание раз­ряда, значительно сложнее. Одной из причин, понижающих напряжение зажигания смеси газов являются неупругие соударения второго рода, приводящие к образованию мета - стабильных состояний атомов. Установлено, что если в га­зоразрядный прибор, наполненный чистым неоном, доба­вить немного аргона, то напряжение зажигания полученной смеси будет значительно ниже, чем у чистого неона.

Это объясняется следующими причинами. При соударе­ниях электрона с атомами неона (потенциал ионизации 21, 47 эв) многие из них возбуждаются до метастабильного уровня (до 16,57—16,66 эв). Эти метастабильные атомы при своем беспорядочном движении сталкиваются с атомами ар­гона, у которого потенциал ионизации (15,7 эв) ниже, чем потенциал метастабильного состояния неона, и отдают ему свою энергию. В результате этого атомы аргона ионизируют­ся и потенциал зажигания разряда значительно понижается. Например, прибавление всего 0,005% аргона при 110 мм Рт. ст. неона понижает напряжение зажигания с 770 в до 185 в между параллельными пластинами, установленными на расстоянии 7,5 мм.

Понижения напряжения зажигания разряда можно до­стигнуть также путем понижения общего давления, а в случае цилиндрических электродов и уменьшением тол­щины нити. Уменьшение толщины нити приводит к увели­чению напряженности поля, а следовательно, и к пониже­нию напряжения зажигания разряда.

Низковольтные газовые смеси

Такому условию, когда потенциал метастабильного со­стояния основного газа выше потенциала ионизации при­меси, удовлетворяют многие гасящие примеси, применяе­мые в газоразрядных счетчиках. Но не всякое количество примеси в основном газе будет приводить к понижению по­тенциала. Например, спиртовые счетчики известны как
высоковольтные счетчики (потенциал зажигания разряда в них около 700—800 в и более) только потому, что количе­ство паров спирта в них очень велико.

Это приводит к большему числу столкновенийэлектронов, движущихся в газе с молекулами гасителя. В результате энергия электронов долгое время удерживается ниже, чем энергия местастабильного состояния и потенциала иониза­ции основного газа. А это в свою очередь задерживает раз­витие и нарастание электронных лавин, вследствие чего возрастает потенциал зажигания разряда.

Если теперь понижать количество паров спирта в счет­чике, то при очень небольшом количестве его в смеси на­ступает такой момент, когда электроны очень мало стал­киваются с молекулами спирта. Тогда начинает действовать механизм понижения потенциала ионизации смеси за счет передачи энергии метастабильных атомов неона молекулам спирта. Однако в этом случае паров спирта в счетчике будет настолько мало, что они не будут в состоянии гасить разряд и счетчик не станет самогасящимся. Были, например, из­готовлены счетчики с низким потенциалом зажигания путем прибавления многоатомных паров при давлении в доли мил­лиметра ртутного столба к смеси неон — аргон. Однако такие счетчики имели очень небольшое время жизни и для гашения разряда в них необходимо было применять гасящие схемы, то есть такие счетчики были практически не самога­сящимися. Ясно, что если бы удалось найти такой газ, ко­торый имел бы потенциал ионизации ниже потенциала воз­буждения метастабильного состояния основного газа и при малых примесях его к основному газу сохранял свои гася­щие свойства и позволял счетчику долго служить, то задача с понижением напряжения зажигания разряда в счетчике была бы решена.

§

Fr^

1

Такими газами оказались пары галогенов (хлор, бром, иод). Было установлено на опыте, что небольшие примеси галогенов также способны понизить напряжение зажига­ния разряда. В случае применения галогенов условия для снятия метастабильных состояний основного газа имеются. Так, например, потенциал ионизации брома равен 12,8 эв, А потенциал метастабильного состояния неона 15,6 эв. По­этому при столкновении метастабильного атома неона его энергия будет затрачиваться на ионизацию молекул брома. Однако появилось другое явление, приводящее к повышению потенциала зажигания разряда в данной смеси. Дело в том, что галогены относятся к электроотрицательным газам и легко присоединяют к себе электроны, становясь отрица­тельными ионами. Поэтому в счетчике со смесью неон — галоген при достаточной концентрации галогена молекулы его действуют, как электронные ловушки, не давая тем самым развиваться электронным лавинам и, следовательно, повышая напряжение зажигания разряда. По мере того как понижается концентрация галогенов в счетчике, вероят­ность прилипания электронов понижается, а поэтому и потенциал зажигания разряда понижается.

-г Rf

//еоА

<a70t

7мм

Рт

Ст.

Л ^

/7/

Лотещиал зажигания

В чистом /ш?

Аг а* Qs Q6 Го гг 7,4 Давление парез бреша в смеси в мм рт. ст.

16

Рис. 17. Изменение напряжения зажигания счетчяка от количества брома в газовой смеси.

Наглядно можно проследить изменение напряжения за­жигания галогенного счетчика, наполненного смесью неон— бром, от изменения величины давления брома по кривой, представленной на рисунке 17. От точки А, где кривая пе­ресекается с прямой, равной потенциалу зажигания счет­чика, наполненного чистым неоном, вправо с увеличением брома потенциал зажигания смеси увеличивается. От точ­ки А влево присутствие брома понижает потенциал зажи­гания. Так, при прибавке к неону брома по 0,1 мм рт. ст* потенциал зажигания смеси понизился с 224 в до 208 в. Надо, однако, иметь в виду, что потенциал зажигания счет­чика зависит и от многих других факторов (от геометриче­ских размеров, от общего давления неона, от обработки электродов и др.).

При значительном уменьшении примеси галогена в га­зовой смеси счетчик также может перестать действовать из-за появления так называемого предварительного разряда; как говорят, счетчик начинает коронировать. Поэтому при вы­боре величины концентрации галогена в примеси исходят одновременно из двух желаний: с одной стороны, желая получить как можно меньший потенциал зажигания, коли­чество галогенной присадки уменьшают, с другой стороны, для получения устойчивой работы счетчика количество га­логенной присадки увеличивают. Счетчики, наполняемые смесью неон — аргон — бром и неон — бром, в общем имеют потенциал зажигания ниже, чем неон — аргон — хлор, так как потенциал ионизации хлора выше потенциала ионизации брома.

Как мы увидим дальше, хорошие качества галогенных смесей не ограничиваются их низкими напряжениями за­жигания.

Как изготовляются галогенные счетчики

Большая химическая активность галогенов (в частности хлора, брома, чаще всего применяемых для наполнения счетчиков) создает основную трудность при изготовлении галогенных счетчиков. Если не принять специальных мер, то небольшое количество паров хлора или брома, которое было в смеси при наполнении счетчика, через некоторое, весьма небольшое время в результате химического взаимо­действия с электродами счетчика полностью поглотится ими, превратившись при этом в новые вещества — хло­риды. В результате этого счетчик становится практически негодным.

Исследователи разных стран, в том числе и Советского Союза, опробовали многие металлы для изготовления элек­тродов галогенных счетчиков. Так были применены железо, медь, латунь, алюминий, молибден, серебро и многие дру­гие, но все они давали неудовлетворительные результаты. После долгих поисков было установлено, что наиболее подхо­дящими материалами для изготовления электродов гало­генных счетчиков могут служить хромо-никелевые сплавы, нихром и нержавеющая сталь, а из чистых металлов — тантал. Последний металл является пока слишком дорогим и для изготовления электродов не применяется.

Устройство одного из галогенных счетчиков, выпускае­мых нашей промышленностью, показано на рисунке 18.

Бета-гамма-счетчик типа СТС-5 (стальной счетчик) представ­ляет собой тонкостенный (до 50 ц цельнотянутый цилиндр, изготовленный из нержавеющей стали. На поверхности его для придания ему прочности выдавлены ребра жесткости.

С обеих сторон цилиндра приварены шайбы плотным воздухонепроницаемым швом. Они изготовлены из специаль­ного сплава — ковара. Ковар хорошо сваривается со стек­лом и позволяет, таким образом, впаять в шайбы стеклян­ные трубочки. Эти трубочки, вваренные в коваровьте шайбы, служат одновременно изоляторами между анодом и като­дом, и дают возможность произвести откачку из счетчика

Матуш/il /(орпус-шпод Пружина дм натяжения нита Рис. 18. Схематический разрез счетчика СТС-5.

Воздуха и наполнить его газовой смесью. Внутренние концы стеклянных трубок служат охранными «соломками» и дер­жателями нити. Нить — анод изготовляется из коваровой проволоки. Такая нить достаточно стойка к действию брома и хорошо спаивается со стеклом, что позволяет легко осуще­ствить ее вывод наружу.

Собранные счетчики припаиваются на откачные посты, где из них откачивается воздух до давления 10~6лш рт. ст. Откачанный и обезгаженный счетчик проходит специальную обработку сухим хлором. В результате этой обработки внут­ренние стенки счетчика становятся менее восприимчивыми к действию галогенных примесей, и самопроизвольного по­глощения их при работе не происходит. Затем счетчик на­полняется газовой смесью, состоящей из неона и паров брома. Наполненые счетчики отпаивают, снабжают цоко­лем и подвергают отборочным испытаниям.

Бром поглощает фотоны и гасит разряд

Как нам уже известно, одно из условии, которому должен удовлетворять газ, используемый в счетчиках в качестве га­сителя, состоит в том, чтобы ни один из возбужденных и ионизированных атомов, способных произвести вторичную эмиссию с катода, не достигал его поверхности. Для этого, как мы знаем, потенциал ионизации гасящей примеси дол­жен быть ниже потенциала возбуждения метастабильного состояния основного газа. Другое условие гашения со­стоит в том, чтобы гасящая примесь поглощала кванты света (фотоны), образующиеся в процессе разряда, не давая им по­падать к катоду. Этим требованиям в достаточной мере удовлетворяют галогены — хлор и бром.

Обычное состояние хлора и брома, так же как и многих других газов (кислорода, водорода, азота и др.), молеку­лярное, то есть при обычных условиях отдельных атомов брома и хлора не существует. Молекулы хлора и брома со­стоят каждая из двух атомов. Потенциал ионизации хлора 13,2 эв, а брома 12,8 эв, тогда как потенциал ионизации нео­на, чаще всего применяемого для наполнения счетчиков в качестве основного газа, равен 21,5 эв> а потенциал мета­стабильного состояния составляет 16,5эв. Как видно, первое условие выполняется полностью при сочетании неона с хлором или бромом.

Вторым хорошим качеством хлора и брома является их сплошной спектр поглощения света с длинами волн до 1500 А, т. е. все фотоны, имеющие длину волны от 1500 А и ниже, поглощаются хлором и бромом. Но так как воз­бужденный атом неона высвечивает наиболее интенсивный фотон с длиной волны 736 А, то, очевидно, и второе условие гашения для галогенов также удовлетворяется.

Несмотря на то, что и хлор и бром вполне удовлетворяют условиям гашения, предпочтение пока отдают брому. Глав­ной причиной этого предпочтения является меньшая хими­ческая активность брома сравнительно с хлором.

Общая картина механизма разряда галогенных счетчи­ков сходна с рассмотренной выше картиной механизма раз­ряда спиртовых счетчиков. Однако при подробном рассмот­рении обнаруживается целый ряд явлений, присущих только галогенным счетчикам. Подробно останавливаться на всех этих явлениях мы не будем, а отметим только не­которые особенности разряда, дающие возможность при­менять галогенные счетчики не только в счетном (импульс­ном) режиме, а еще в так называемом токовом режиме, о котором будет сказано ниже.

При поглощении фотона ультрафиолетового излучения, возникающего при высвечивании возбужденного неона, мо­
лекула брома (хлора) распадается на отдельные нейтральные возбужденные атомы. Как указывалось в первом разделе, атомы хлора и брома имеют на внешней оболочке по семи электронов. Поэтому они соединяются в двойные моле­кулы, образуя устойчивую восьмиэлектронную оболочку. Образовавшиеся под действием кванта света атомы брома вновь соединяются в молекулу, и таким образом молекула брома вновь восстанавливает все своя свойства. Следо­вательно, в результате работы брома (или хлора) как гаси­теля, его количество не изменяется, как это имело место с органическими парами. Поэтому с этой точки зрения счет­чик, наполненный смесью неона с бромом, может работать сколь угодно долгое время. Это позволяет применять га­логенный счетчик при измерении излучений большой актив­ности. При больших мощностях дозы радиоактивного излу­чения спиртовые счетчики не успевают справиться с гаше­нием разряда и быстро переходят в непрерывный разряд, в результате которого счетчик перестает работать навсегда. Галогенные счетчики, вследствие способности галогенов быстро восстанавливаться в молекулы, не боятся таких перегрузок. Больше того, они способны устойчиво рабо­тать в полях излучения сравнительно большой мощности. При этом частота следования импульсов настолько ве­лика, что проще измерять не число их в единицу времени, а общую сумму, то есть средний ток, протекающий через счетчик.

Так же как и в случае спиртовых счетчиков, образовав­шиеся ионы основного газа передают свою энергию иониза­ции молекулам гасящей примеси (брома). Оставшаяся энер­гия у возбужденного атома неона в 8,7 эв испускается в виде фотона, который поглощается бромом. Образовавшиеся таким образом ионы брома приходят на катод.

65

Для того чтобы завершить гашение разряда, как об этом уже говорилось, надо, чтобы пришедшие на катод ионы брома не вызвали появления вторичного электрона. Для это­го должно быть выполнено условие: энергия иона должна быть меньше удвоенной работы выхода материала катода. Работа выхода нержавеющей стали около 4,7 эв, а энергия иона брома 12,8 эв. Условие не выполняется. Однако в случае применения брома и хлора в качестве гасителей и при предварительной обработке хлором поверхности ме­талла его работа выхода электронов значительно возрастает (до 8—9 эв) и условие становится реализуемым.

3 А. В. Александров

Отрицательной стороной галогенов как гасителей яв­ляется их большое сродство с электроном, т. е. их большая способность присоединять к себе электроны. При этом обра­зуются отрицательные ионы, которые движутся так же, как электроны к нити — аноду, но со значительно меньшей ско­ростью. В галогенных счетчиках это приводит к так назы­ваемому запаздыванию импульса.

Следует заметить, что достаточно стройной и четкой тео­рии работы галогенных счетчиков еще не существует.

Токовая характеристика счетчика

Еще в 1935 году советские физики В. Векслер, А. Би- бераль и М. Иванов впервые указали на возможность при­менения счетчиков для измерения радиоактивного излуче­ния больших интенсивностей. Они показали, что в спирто­вом счетчике средних размеров количество электричества, образующееся в отдельном импульсе, примерно равно одной миллиардной (Ю-9) кулона. Поэтому при ста импульсах в секунду средний ток, равный сумме количества электриче­ства от ста импульсов, составляет около одной десятимил­лионной доли ампера (около 0,1 микроампера). Такой ток можно измерять гальванометром. Так как средний ток через счетчик образуется как сумма токов отдельных импульсов, то, очевидно, он должен быть пропорциональным числу частиц, прошедших через счетчик в единицу времени.

Если бы счетчик имел бесконечно большую разрешаю­щую способность, то есть мог бы сосчитывать любое число частиц, то эта пропорциональность между током и числом частиц была бы прямая. Но с увеличением числа частиц, проходящих через счетчик, все большее число частиц будет проходить через него в тот момент, когда счетчик не способен их регистрировать (в течение «мертвого» времени). Следо­вательно, прямая пропорциональность нарушится.

Надо отметить, что спиртовые счетчики очень плохо вы­держивают большие интенсивности ионизирующего потока и поэтому в токовом режиме не применяются.

Для этой цели весьма ценными являются галогенные счетчики. Схема, по которой включаются счетчики при ра­боте их в токовом режиме, чрезвычайно проста (рис. 19). Она состоит из счетчика, в анод которого включено нагру­зочное сопротивление от 1 до 8 мгом, измерительного при­
бора — микроамперметра — и источника питания — ба­тареи с напряжением порядка 400 в.

■с

Изменяя мощность дозы у-излучения, падающего на счетчик, мы каждый раз при этом будем получать разную величину среднего тока. Зависимость величины среднего тока, протекающего через счетчик, от изменения мощно­сти дозы излучения и носит название токовой характери­стики счетчика. Обычно принято токовую характеристику счетчика вычерчивать в полулогарифмическом масштабе (рис. 20), то есть по вертикальной оси откладывать величину тока в микроамперах, по горизонтальной — логарифм мощ­ности дозы в рентгенах в час.

Нагрузки

Л—

Cvemw/t

Мшроамлдзметр

Рис. 19. Схема включения счетчика при работе в токовом режиме.

Токовая характеристика счетчика снимается по схеме, приведенной на рисунке 19. На счетчик подается постоян­ное рабочее напряжение, которое так же, как и в случае работы счетчика в импульсном режиме, выбирается в се­редине плато счетной характеристики. Счетчик устанавли­вается в точке поля, в которой каким-либо способом изме­рена мощность дозы, и записывается показание микро­амперметра. Затем счетчик передвигается в новую точку с известной мощностью дозы и вновь записывается показание прибора. Снимая таким образом ряд показаний прибора в точках с различной мощностью дозы, получают таблицу данных. По этим данным строят кривую (рис. 20), которая и будет токовой характеристикой счетчика.

67

Вначале, при малых мощностях доз, через счетчик про­текает слабый ток и нарастает медленно. Затем на участке от Л до £ кривая приближается к прямой линии, ток нара-

3*
стает почти прямо пропорционально логарифму мощности дозы. Этот участок характеристики считается рабочим уча­стком. Он имеет наибольшую крутизну.

Затем после точки Б рост тока вновь замедляется и на­ступает его насыщение, то есть при дальнейшем увеличении мощности дозы ток остается неизменным. При некоторых параметрах схемы после насыщения может наступить вновь падение тока. Падающий участок характеристики обычно стараются ликвидировать, так как наличие такого

Б

/

/

А

J

F

Л

/^щ» дозы в ретгтаз? в Vac Рис. 20. Токовая характеристика счетчика СТС-5.

I § I

Участка, расположенного в близкой области мощностей доз излучения, может привести к грубым ошибкам в из­мерениях. Таким образом, при использовании счетчика в токовом режиме для измерения больших мощностей доз, необходимо обычным микроамперметром измерить средний ток через счетчик и иметь при этом токовую характеристику счетчика. По измеренному току по кривой (рис, 20) можно определить мощность дозы излучения. В этом случае счетчик дает на­столько большие ионизационные токи, что их измерение

Не требует никаких усилительных приспособлений. Так, у счетчика СТС-5 при нагрузочном сопротивлении, равном 4,7- 10е ом при максимальной мощности дозы облучения ток составляет около 18 микроампер.

Рабочий объем счетчика

Будем облучать у-счетчик узким пучком у-лучей, каждый раз направляя его на различные участки прибора. Узкий пучок у-лучей можно получить, заключив источник у-излу­чения в толстую свинцовую оболочку (рис. 21), имеющую

Рис. 21. Кривая относительной чувствительности вдоль оси счетчика.

Узкую щель (порядка 0,5 мм). Будем передвигать такую щель, из которой выходит пучок у-лучей, вдоль счет­чика от одного конца к другому с помощью микрометриче­ского винта, позволяющего делать перемещения порядка 0,2 мм. После каждого перемещения на 0,2 мм будем за­мерять скорость счета, которую дает счетчик. Оказывается, скорость счета меняется от того, в каком месте на счетчик падает у-излучение. Вначале, когда пучок проходит мимо счетчика, скорость счета равна натуральному фону счетчика.

Если пучок попадает на цоколи (не попадая внутрь счет­чика), скорость счета несколько возрастает за счет попада­ния внутрь счетчика электронов больших энергий, образую-

Шихся от встречи у-лучей с цоколями. Передвигая пучок на охранные «соломки» счетчика, мы видим, что скорость счета вновь несколько возрастает и остается постоянной до тех пор, пока пучок у-лучей не доходит до начала цилиндра катода, где скорость счета возрастает далее. Не доходя не­которого расстояния до среза охранной соломки, скорость счета круто поднимается, приобретая самое большое зна­чение точно над срезом соломки. Потом она несколько сни­жается и остается постоянной до тех пор, пока пучок не дой­дет до среза другой соломки. Дальше картина повторяется в обратном порядке. Если теперь по полученным данным построить кривую, то она будет иметь вид, показанный на рисунке 21.

Из этого рисунка следует, что наиболее чувствительным участком счетчика является открытый участок нити. Кон­цевые участки счетчика зависят от толщины ограничитель­ных соломок. Чем больше диаметр этих «соломок», тем мень­ше становится скорость счета, приходящаяся на концы. Таким образом мы как бы отгораживаем открытый участок нити от концов счетчика. Длину открытого участка нити называют рабочей длиной нити. А объем, ограниченный ра­бочей длиной нити и цилиндром катода, называют рабочим объемом счетчика.

Чувствительность счетчика

Из всех существующих приборов для измерения иони­зирующего излучения газоразрядный счетчик является наи­более чувствительным. Опытами установлено, что появле­ние в рабочем объеме счетчика хотя бы одного электрона приводит к появлению самостоятельного разряда. Это зна­чит, что абсолютная чувствительность счетчика предельно высока. В отличие от абсолютной чувствительности, соб­ственно не зависящей от геометрических размеров счетчика, относительная чувствительность различных счетчиков раз­лична.

В самом деле, если мы имеем радиоактивный источник, излучающий равномерно во все стороны определенное коли­чество у-квантов, то скорость счета, измеренная счетчиком больших размеров в данной точке, будет больше скорости счета, измеренной счетчиком малых размеров. Таким обра­зом, для измерения излучения большей интенсивности надо применять счетчики меньших геометрических размеров.

Так, например, если счетчик с диаметром катода 14 лш и рабочей длиной нити 84 мм при некоторой активности источ­ника и определенном расстоянии от него до счетчика дает скорость счета, равную 16 350 импману то счетчик с диа­метром катода 4ми рабочей длиной нити 24 мм дает всего лишь 714 импмин. Следовательно, с уменьшением геометри­ческих размеров счетчика уменьшается его относительная чу вствител ь ность.

Если счетчик применяется в токовом режиме, то при уменьшении его геометрических размеров увеличивается значение мощности дозы, при которой наступает насыщение тока, то есть величина предельной мощности дозы, которую можно еще замерить с помощью данного счетчика.

Так появились малочувствительные счетчики, могущие работать в полях излучения с мощностью дозы, доходящей до 300 и более рентгенов в час.

Но уменьшение относительной чувствительности счет­чика достигается не только за счет уменьшения его геомет­рических размеров. Изменение полярности питающего на­пряжения приводит также к резкому снижению чувстви­тельности счетчика. На рисунке 22 приведена кривая зависимости чувствительности счетчика в направлении, пер­пендикулярном продольной оси счетчика при обратной по­лярности питающего напряжения на счетчике. Положитель­ный потенциал подавался на цилиндр-катод; а отрицатель­ный — на нить-анод. Узкий пучок улучей, полученный с помощью ранее описанного приспособления, передвигался перпендикулярно счетчику.

Из рисунка 22 видно, что наибольшая чувствительность счетчика достигается только в момент прохождения пучка у-лучей над нитью и в непосредственной близости от нее. При прямой же полярности питающего напряжения получается кривая 2, нанесенная на том же рисунке прерывистой ли­нией.

При обратной полярности питающего напряжения счет­чик как бы вырывает из общего потока у-квантов, падаю­щих на поверхность счетчика, только узкий пучок, соответ­ствующий сечению нити, поэтому скорость счета при одном и том же источнике излучения резко уменьшается (в 10— 20 раз в зависимости от диаметра нити).

Надо отметить, что при изменении полярности на элек­тродах счетчика меняется структура поля, значительно (на 50—100 в) повышается потенциал зажигания разряда в счет­чике и ухудшаются счетные характеристики. Однако то­ковая характеристика имеет нормальный вид. У счетчика СТС-5, имевшего при прямом включении предельную

Рис. 22. Кривая относительной чувствительности счетчика перпендику­лярно продольной оси при обратной полярности напряжения на элект­родах (кривая 1) и при прямой полярности (кривая 2).

Мощность дозы около 1 р/час, при обратном включении предельная мощность дозы повышается до 10 р/час.

Влияние температуры окружающей среды на работу галогенных счетчиков

Как мы видели, изменение рабочих свойств спиртового счетчика при изменении температуры окружающей среды происходит в основном за счет изменения давления паров гасящей примеси и главным образом за счет их конденсации. В самом деле, при наполнении счетчика парами спирта дав­ление их при температуре 20° С ниже нуля не может пре­высить 3,3 мм рт. ст. Таким образом, нижний температур­ный предел счетчика определяется упругостью паров над жидкой фазой гасящей примеси.

Известно, что если в закрытый сосуд поместить немного жидкости, то при определенной температуре наступит так называемое равновесное состояние между жидкой и паро­образной фазами, то есть количество испаряющихся с поверх­ности жидкости молекул будет равно количеству молекул, поглощаемых жидкостью из объема. В объеме установится определенное давление паров этой жидкости. Так, напри­мер, при температуре —50°С давление паров брома над жидким бромом будет равно 1,09 мм рт. ст., а при температуре —20° С—17,1 мм рт. ст. Поэтому если счетчики наполнить парами брома при температуре +20° С давлением в 1,09 мм Рт. ст., то до температуры — 50° С пары брома будут подчи­няться основному закону состояния газов.

При небольших объемах счетчика это приводит к неболь­шому изменению давления гасящей примеси, а следова­тельно, к незначительным изменениям характеристики счет­чика — счетчик практически продолжает действовать.

При дальнейшем понижении температуры окружаю­щего воздуха бром начнет сжижаться и давление его паров в счетчике начнет быстро падать, что приводит к резкому ухудшению характеристик счетчика и счетчик становится неработоспособным. Так, счетчик СТС-5 работает в диапа­зоне температур от —40° С до +50° С.

При наполнении счетчика хлором диапазон температур расширяется, так как тому же самому давлению в 1,09 мм Рт. ст. соответствует температура около —100° С.

Такой широкий температурный диапазон работы гало­генных счетчиков позволяет применять их в приборах для геологоразведочных работ.

Эффективность счетчиков

Как мы уже знаем, проникающая способность у-лучей очень велика. А это означает, что у-кванты, проходя через вещество, очень мало с ним взаимодействуют, то есть ве­щество мало поглощает их. Поэтому при прохождении у-кванта через газоразрядный промежуток счетчика мало вероятно, что квант ионизирует газ и оставит после себя хотя бы одну пару ионов.

Обнаружение у-лучей газоразрядным счетчиком осно­вано главным образом на подсчете числа электронов, вы­шедших под действием у-кванта из стенок счетчика. В за­висимости от энергии у-излучения («жесткости») выход элек­тронов будет обусловлен преобладающе одним из трех видов взаимодействия, описанных на страницах 20 и 21. Так, под действием излучения относительно малых энергий электроны выходят в основном за счет фотоэлектрического поглощения.

С увеличением энергии излучения число фотоэлектро­нов, приходящихся на один падающий квант, будет умень­шаться, приближаясь к нулю. При энергии падающих кван­тов, равной примерно 1 миллиону электрон-вольт, фотоэлек­троны практически выходить не будут. Но при энергиях от 0,8 эв до нескольких миллионов электрон-вольт выход электронов будет в основном обусловливаться наличием комптон-эффекта. При очень «жестких» у-лучах преобла­дающую роль играет эффект образования пар.

Из всего числа образовавшихся в стенках счетчика элек­тронов счетчик сосчитает только часть электронов, так как часть их не попадет в рабочий объем счетчика, часть погло­тится в самих стенках катода.

Следовательно, из всего числа падающих на поверх­ность счетчика у-квантов только очень малая часть их бу­дет сосчитана счетчиком. Коэффициент полезного действия (эффективность счетчика) невелик и зависит от длины волны излучения и материала катода. Так, например, для счет­чика с катодом из нержавеющей стали эффективность счет­чика к у-излучению с энергией 1,25 млн. эв составляет всего 0,0075 (коэффициентполезного действия около 0,75%).

Коэффициент полезного действия газоразрядных счет­чиков для р-частиц достигает 95%, так как почти каждая ^-частица, попавшая внутрь счетчика, вызовет в нем разряд, то есть будет сосчитана.

Было опробовано много способов повышения коэффи­циента полезного действия гамма-счетчиков. Наиболее рас­пространенным методом является увеличение удельной площади поверхности катода, то есть площади катода, при­ходящейся на единицу рабочего объема счетчика. В этом случае число вторичных электронов, попадающих в рабо­чий объем, увеличивается. Увеличение поверхности можно произвести за счет нарезки резьбы на внутренней поверх­ности цилиндрического катода, за счет изготовления катода в виде спирали, за счет применения сетчатых катодов и т. п. Некоторые из указанных приемов дают увеличение коэффициента полезного действия раза в два и более.

В. КОНСТРУКЦИИ СЧЕТЧИКОВ

Устройство гамма-счетчиков

За свое полувековое существование конструкции газо­разрядных счетчиков претерпевали самые разнообразные изменения. По назначению самогасящиеся счетчики можно разделить на несколько групп: гамма-счетчики, счетчики «жестких» (5-частиц или так называемые бета-гамма-счет - чики, счетчики для «мягких» р-частиц, которые в своей конструкции должны иметь окно для пропуска мягких р-частиц внутрь счетчика, счетчики фотонов (квантов света) и т. п.

По своей конструкции гамма-счетчики весьма просты. Конструкцию одного из спиртовых гамма-счетчиков мы ви­дели на рис. 12. Другой тип гамма-счетчика с галогенным

//хт-ахоЗ

Стальной цшинф - катод

Ы салата

Шасттушпб/е /тружг/т —

Фужта

4=

Рис. 23. Схематический разрез счетчика СТС-2.

Наполнением показан на рисунке 23. В нем тонкостенный (0,2 мм) цилиндр — катод из нержавеющей стали на сталь­ных распорных пластинчатых пружинах вставляется в стеклянный баллон. От цилиндра с помощью молибдено­вой проволоки делается вывод наружу. Нить укрепляется так же, как и на рисунке 12, только в этом случае нить изготовляется из ковара. Счетчик наполняется галогенной смесью (неон — аргон—бром) и может применяться как в импульсном (счетном), так и в токовом режимах. Такой счетчик относится к серии СТС (стальной счетчик).

В импульсном режиме счетчик имеет очень долгий срок службы. По техническим условиям им определено отсчи­тать миллиард (109) импульсов без заметного ухудшения счетной характеристики. Как уже указывалось, одно из преимуществ галогенных счетчиков состоит в их работо­способности при больших скоростях счета. Счетчики серии

СТС допускают работу при скоростях счета сто тысяч (105) импульсов в минуту и выше; при этом сохраняется пропор­циональность между интенсивностью облучения и скоростью счета вплоть до двухсот тысяч импульсов в минуту.

Такой скорости счета соответствует мощность дозы около 0,25 Pjnac. Величина мощности дозы, до которой скорость счета остается прямо пропорциональна ей, так же как и величина предельной мощности дозы работы счетчика в то­ковом режиме, зависит от геометрических размеров. Чем меньше диаметр катода и рабочая длина нити, тем больше предельная мощность дозы и тем дольше сохраняется про­порциональность между скоростью счета и мощностью дозы излучения.

При выборе рабочей длины в счетчике руководствуются соотношением: рабочая длина нити не должна быть меньше удвоенного диаметра катода. При меньшей рабочей длине нити счетчик тоже работает, но величина потенциала зажи­гания разряда в нем резко возрастает. Так, например, для счетчика с диаметром катода 10 мм при рабочей длине, рав­ной 5 диаметрам (50 мм), при определенном газовом напол­нении напряжение начала счета составляет 400 в, при ра­бочей длине, равной двум диаметрам катода — 405 в, при рабочей длине, равной одному диаметру катода — 450 в, а при рабочей длине нити, равной 0,5 диаметра катода, по­тенциал зажигания возрастает до 500 в.

При уменьшении рабочей длины нити уменьшается также протяженность плато счетной характеристики. Так, для счетчиков диаметром 6 мм при уменьшении рабочей длины нити от семи диаметров катода до одного протяженность плато уменьшается с 200 до 30 е.

Поэтому из всех счетчиков, выпускаемых советской про­мышленностью, только опытные образцы гамма-счетчиков типа СИ 2БГ имеют рабочую длину нити меньше одного диаметра.

С уменьшением рабочей длины желательно увеличивать диаметр «охранных» соломок, так как в этом случае на об­щую скорость счета приходится меньшее количество импуль­сов, обусловленных концевыми участками счетчика (рис. 21). Например, для счетчика с диаметром катода 6 мм, диамет­ром охранной «соломки» 1,5 мм и рабочей длине нити, равной одному диаметру катода (6 мм), скорость счета равна 480 Имп/мин, а для такого же счетчика, но с диаметром «соломки» 4 мм от того же источника и при неизменном расположении его относительно счетчика скорость счета составляет 280 имп/мин.

У счетчиков с меньшим диаметром охранной «соломки» наклон плато значительно больше, чем у счетчиков с большим диаметром соломки. Это объясняется увеличением рабочего объема счетчика с увеличением напряжения на счетчике за счет «раздутия» электрического поля, т. е. выхода его за пределы катода.

Устройство счетчиков бета-частиц

Как уже говорилось, конструкция счетчиков fj-частиц должна обеспечить попадание их внутрь счетчика. По кон­струкции счетчики ^-частиц делятся на два вида: цилин­дрический счетчик с толщиной стенок, допускающей про­хождение (5-частиц относительно большой энергии («жест­ких» р-частиц), и торцевой счетчик, представляющий собою

Сте/мятьш Алтшжевый цшшядр - С/лемяхяая »#осихя / /га/под яапба

Фяаль

Ti/айба

Рис. 24. Схематический разрез бета-счетчика типа АС.

Стеклянный цилиндр, торцевая часть которого закрыта тон­ким листком слюды, пропускающим [5-частицы относительно малой энергии.

Из числа цилиндрических бета-счетчиков советская про­мышленность серийно выпускает четыре типа счетчиков: СТС-5 (рис. 18), СТС-6, АС-1 и АС-2 (рис. 24).

Конструкцию счетчика СТС-5 и его изготовление мы опи­сали на странице 63. Счетчик СТС-6 отличается от предыду­щего только геометрическими размерами (см. таблицу на стр. 80).

Толщину стенки в цилиндрических счетчиках или окна в торцевых принято выражать не в линейных единицах, а в весе материала, приходящемся на один квадратный санти­метр. Так, у счетчиков СТС-5 и СТС-6 толщина стенки стального цилиндра отвечает 45 миллиграммам на квадрат­ный сантиметр, что составляет примерно около 50 р.. Для
измерения мягкого ^-излучения желательно иметь стенки значительно тоньше, но дальнейшее уменьшение их делает счетчик механически непрочным.

Счетчики типа СТС-5 и СТС-6 могут применяться для измерения как жесткого [5-излучения, так и у-излУЧения. Они имеют хорошие счетные характеристики. Указанная в таблице протяженность плато в 80 в на практике у большин­ства счетчиков всегда превы­шается и достигает 200 в.

Счетчики типа АС (рис. 24) представляют собой штампо­ванный глухой алюминиевый цилиндр с толщиной стенки 0,13 мм (что составляет около 35 мг/см2). На поверхности его для прочности нанесены ребра жесткости. В глухой конец цилиндра вставлена и заваль - цована алюминиевая шайба со стеклянным «носиком»,в ко­тором размещается спираль­ная пружина, предназначен­ная для натяжения нити. Для откачки и наполнения этих счетчиков алюминиевые ци­линдры с помощью карбиноль - ного клея соединяют со стек­лянной кол бой, какпоказанона рисунке 24. Через стеклянную колбу нить выводится наружу. Отрицательное напряжение подается непосредственно на цилиндр. Счетчики наполняют­ся газовой смесью, содержащей органические пары. Пара­метры счетчиков типа АС-1 и АС-2 (ранее они назывались Б-1 и Б-2) приведены в таблице на стр. 80.

Рис. 25. Схематический разрез торцевого бета-счетчика типа МСТ-17.

Торцевые счетчики могут немного отличаться один от другого по конструктивным деталям, но в целом их устрой­ство хорошо иллюстрируется рисунком 25, на котором пред­ставлен схематический разрез торцевого счетчика МСТ-17. На торец стеклянной цилиндрической трубки, на развер­нутые его края, специальной стеклянной пастой привари­вается тонкий слюдяной листок. Толщина слюдяного листка достигает 3—5 MbJCm2. Затем на внутреннюю поверхность
стеклянной трубки либо методом испарения металла в ваку­уме, либо химическим путем наносят медный катод, от ко­торого через стеклянную стенку трубки делается вывод.

В некоторых типах торцевых счетчиков катод — стальной цилиндр — непосредственно вставляется на пластинчатых пружинах в стеклянный баллон. По оси цилиндра проходит нить, закрепленная с одного конца в стеклянном баллоне счетчика. На другом конце нити наплавляется маленькая стеклянная бусинка. Счетчик МСТ-17 наполняется газовой смесью, содержащей органические пары.

Советской промышленностью освоен выпуск малочув­ствительных бета-гамма-счетчиков, используемых для ра­боты в токовом режиме с верхним пределом измеряемой мощ­ности дозы в 5, 10, 50, 100 и 300 Pjnac. Устройство одного из

Рис. 26. Схематический разрез малочувствительного бета-гамма-счетчика типа СИ-2БГ.

Таких счетчиков показано на рисунке 26, на котором изоб­ражен схематический разрез опытного счетчика типа СИ-2БГ. Катоды таких счетчиков представляют собою цилиндрические спирали, изготовляемые из никелевой или нихромовой проволоки.

Стеклянный баллон счетчика изготовляется либо из тонкостенного (0,1 мм) стекла, либо из толстого стекла. В последнем случае стекло баллона утоньшается над рабочей частью нити до указанной толщины для возможности про­хождения р-частиц. Счетчики такого типа наполняются га­логенной смесью, и имеют достаточно низкое рабочее напря­жение 370—400 в и широкий температурный диапазон ра­боты (от —40° до +50° С).

В заключение этого раздела мы приводим таблицу пара­метров некоторых счетчиков р-и у-излучения, выпускаемых советской промышленностью.

Параметры счетчиков бета-гамма-излучения Габаритные размеры R Л Температурный диа­ 0! а «в «в * Си С Go О « н - я Пазон работы, °С 1 *> 5 2.S В * О О А 9 Н А В* о Ts ss н Диаметр Мм Длина Мм 03 «0 8 - Ff <и О 5 VO =5 I* 8 G e «КО SHH 5 о я J2 CL4 Ясс 3 с 5 = * О ОО От ДО X >> 5 |3 О 20 S я 38 К о CQ S Я 11 H Н со А «I э* А Я S О. С СТС-1 СТС-2 СТС-3 СТС-5 СТС-б СТС-8 МС АС-1 16 23 23 10*> 18*> 23 от 152 до 31 12*> 90 180 260 110 197 215 от 100 до 360 128 380 380 380 400 400 380 850 850 80 80 80 80 80 80 200 80 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 10 18 —40 —40 —40 —40 —40 —40 —20 +5 +50 +50 +50 +50 +50 +50 +50 +35 МО9 МО9 МО9 1-109 МО9 МО8 2-10» Гамма гамма гамма бета-гамма бета-гамма гамма Гамма бета-гамма 45 45 35 Стальной Стальной Бывшие типа АММ Выпуска­ется 9 раз­личных типов Алюмини­евый АС-2 МСТ-17 20* > 20**) 156 850 1700 100 150 18 5 +5 -30 +35 +50 2-10® 6-Ю7 Бета-гамма бета 35 3-5 Алюмини­евый Окно слюдя­ное

*) Диаметр катода. **) Диаметр торцевого окна.

IV. ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ САМОГАСЯЩИХСЯ СЧЕТЧИКОВ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

С

тех пор, как была открыта радиоактивность, ученые начали применять ее в науке и технике. Но дороговизна радия препятствовала широкому внедрению радиоактив­ности в технику. Открытие искусственной радиоактивно­сти и возможность сравнительно дешево получать радио­активные изотопы дали возможность развернуть работы по их применению в промышленности и народном хозяйстве.

В директивах XX съезда Коммунистической партии Со­ветского Союза особо подчеркивается необходимость все­мерного развития работ по использованию радиоактивных излучений для управления производственными процессами и автоматического регулирования этих процессов.

Использование радиоактивных излучений для автомати­зации производственных процессов, автоматического кон­троля этих процессов, применения в измерительной технике создает целый ряд преимуществ. К ним следует отнести бес­контактность измерений, отсутствие влияния внешних условий на источник излучения, отсутствие взаимного влия­ния контролируемой среды и самого измерительного устрой­ства, большая стабильность и большой срок службы источ­ников излучения, быстродействие, безинерционность сра­батывания системы и т. п.

В целом ряде областей производства только с примене­нием искусственной радиоактивности появилась возможность контролировать производственные процессы без их наруше­ния. К таким процессам производства можно отнести из­мерение толщины немагнитных покрытий на немагнитной основе, бесконтактное измерение толщины и веса движу­щегося материала — бумаги, стального проката, текстиля и его полуфабрикатов, пластмасс и т. п., обнаружения места повреждения подземных коммуникаций, измерение плот­ности взвесей, движущихся по трубопроводам и т. д.

С помощью искусственной радиоактивности можно не­прерывно контролировать внутреннюю коррозию в рабочих объемах, зондировать типы пластов в нефтяной буровой скважине, определять глубину и толщину залегания руд­ного пласта при геологической разведке, искать радиоактив­ные руды, измерять плотность почвы.

Некоторые процессы производства контролировались ав­томатически и раньше, однако применение радиоактивных изотопов позволило это сделать значительно проще и удобнее.

Во многих случаях приемником излучений в применяе­мой аппаратуре используются газоразрядные счетчики, об­ладающие огромной чувствительностью. В настоящем раз­деле мы познакомимся с некоторыми приборами и приспо­соблениями, используемыми в советской промышленности, в которых в качестве приемников радиоактивного излучения применяются газоразрядные счетчики.

Галогенные счетчики помогают измерять плотность жидких продуктов

В нефтяной промышленности крупные магистральные нефтепроводы используются для транспортировки не только нефти, но и продуктов, получаемых на нефтеперегонных заводах — керосина, бензина, лигроина и др. При этом оче­редной продукт пускается по трубопроводу непосредственно за предыдущим.

На приемном пункте необходимо во время направить тот или иной продукт в соответствующий резервуар. Существую­щие приборы, работающие на принципе изменения диэлектри­ческой проницаемости продукта, давали большие погреш­ности.

На помощь пришли радиоактивность и газоразрядные счетчики. Ученые и инженеры разработали прибор для из­мерения плотности жидкости, с помощью которого, не на­рушая течения жидкости, измеряют ее плотность. По плот­ности и судят о характере продукта.

Действие этого прибора основано на ослаблении интен­сивности у-излучения исследуемой средой. Прибор состоит из двух блоков (рис. 27). Первый блок представляет собой колено трубопровода, которое можно вмонтировать в маги­страль. На одном конце колена укреплен источник у-излу - чения (радиоактивный изотоп кобальт-60) в свинцовой за­щите, на противоположном торце — коробка с первой груп­пой галогенных счетчиков, соединенных между собой па­раллельно.

Различные по плотности жидкости, протекая по колену, меняют интенсивность потока у-лучей, падающего на счет­чики. Изменение интенсивности меняет скорость счета счет­чиков первой группы. Импульсы от первой группы счет­чиков по кабелю длиной 50—100 метров поступают на вто­рой блок в суммирующее устройство.

Во втором блоке расположена вторая группа галогенных счетчиков, «освещаемых» своим источником у-излучения (кобальт-60) через компенсационный клин. Импульсы от этой группы счетчиков поступают также в суммирующее устройство. В данный момент электрические сигналы от первой и второй группы, поступающие в суммирующее устройство, будут разные.

Рис. 27. Схема устройства прибора для измерения плотности жидкости.

Разность электрических сигналов усиливается и по­дается на электрический исполнительный механизм, кото­рый перемещает компенсационный клин, ослабляя или уси­ливая сигналы второй группы счетчиков. Клин будет дви­гаться до тех пор, пока сигналы от второй группы счетчиков не будут равны сигналам от первой. С клином связана стрел­ка, перемещающаяся вдоль шкалы, на которой нанесены де­ления в единицах плотности. В блоке предусмотрено при­способление для передачи сигналов на самопишущий прибор.

Таким образом, диспетчер может следить за течением различных жидкостей по трубопроводам, находясь в диспет­черской на значительном расстоянии, наблюдая запись на ленте самопишущего прибора или за шкалой плотномера.

Измерение уровня жидкости в закрытых сосудах

Во многих областях промышленности необходимо заме­рять уровень жидкостей в закрытых сосудах. В нефтяной промышленности — уровень заполнения цистерн, резер­вуаров с нефтепродуктами, в пивоваренной и молочной про­мышленности — уровень пива и молока в цистернах, в ме­таллургии — уровень расплавленного металла и т. п. На­конец, в некоторых отраслях промышленности необходимо замерять уровень сыпучих тел в закрытых сосудах. Для этого разработано несколько уровнемеров. Они делятся на два типа: приборы, позволяющие измерять уровень жидко­сти в сосуде, и приборы, ведущие автоматический контроль уровня жидкости в сосуде.

На международной выставке по мирному использованию атомной энергии демонстрировался небольшой прибор,

Рис. 28. Электрическая схема и принцип работы радио­Активного индикатора уровня.

Определяющий уровень жидкости в закрытом сосуде (рис. 28). Этот прибор разработан советскими инженерами.

Для определения уровня жидкости в сосуд помещается поплавок с радиоактивным источником кобальт-60. В при­боре использована известная индикаторная радиолампа 6Е5, обычно применяемая для настройки радиоприемников. Лампа представляет собой двойной триод. В нижней части расположены электроды обычного триода: катод, управ­ляющая сетка и анод. В верхней части размещается нике­левый конический экран, покрытый тонким слоем вилле - мита, светящегося под действием бомбардировки электро­нами. По оси экрана размещается оксидный катод, около которого расположен управляющий электрод в виде тонкой никелевой пластинки.

Если на экран подать положительный потенциал, а уп­равляющий электрод оставить пока без потенциала, то под действием электронов, испускаемых катодом, экран све­тится равномерным зеленоватым светом. Если теперь на управляющий электрод подать отрицательный потенциал, то пролетающие мимо него электроны будут отклоняться, и на экране образуется теневой сектор.

Работа уровнемера РИУ-3 сводится к следующему. При отсутствии сигналов от газоразрядного счетчика на управ­ляющий электрод лампы 6Е5 подан наибольший отрицатель­ный потенциал и на экране будет виден теневой сектор.

Прибор перемещается вдоль стенки сосуда с жидкостью до тех пор, пока теневой сектор лампы 6Е5 совершенно не исчезнет. Это соответствует тому, что от газоразрядного счетчика идет наибольшее число импульсов в минуту, то есть счетчик поровнялся с источником излучения, плаваю­щим на поверхности жидкости.

Существуют и другие уровнемеры, не требующие введе­ния источника внутрь объекта. В научно-исследовательском институте «Теплоприбор» разработана установка для изме­рения уровня жидких и сыпучих тел, представляющая со­бой комплект из двух колонок высотой до 6 метров. В одной колонке на гайке ходового винта с помощью синхронного мотора перемещается источник у-излучения в другой — син­хронно ему — газоразрядный счетчик. Колонки устанавли­ваются около резервуара, где требуется измерить уровень жидкости, таким образом, чтобы у-лучи проникали через ре­зервуар и попадали на счетчик. В этой установке приме­няется галогенный у-счетчик и источник у-лучей кобальт-60.

Если требуется, например, определить момент окончания заливки резервуара жидким продуктом, применяются непод­вижные сигнализаторы (рис. 29), измеряющие не положение уровня, а толщину слоя жидкости.

Сигнализаторы, работающие на принципе уровнемеров, нашли широкое применение не только для измерения уров­ней жидких тел. В настоящее время они применяются во многих областях народного хозяйства. Радиоактивный «глаз» следит за многими процессами производства.

В металлургической промышленности при выплавке чугуна в доменную печь загружается определенное количе­ство руды и топлива. Для этого исходными материалами предварительно наполняются специальные бункеры до установленных пределов. Но как узнать, достаточно ли за­гружен бункер? И на этот раз на помощь пришел гамма - счетчик. Уровень загрузки бункеров автоматически быстро

И точно указывает прибор, названный гамма-индикатором. Этот прибор разработали ученые ленинградского института «Гипрошахт» и Центральной лабораторией Института чер­ных металлов. На рисунке 30 показана принципиальная Галша - cvemwff Рис. 29. Неподвижный сигна - Рис. 30. Схема прибора для измерения лизатор заполнения. уровня руды в бункере.

Схема такого прибора. Приборы такого же типа с успехом применяются в каменноугольной промышленности для Заполнения вагонеток углем.

Контроля полноты загрузки вагонеток углем и подсчета количества их (рис. 31)[13]).

Радиоактивный контроль полного заполнения тары про­дуктом применяется и во многих других отраслях народного хозяйства.

Представим себе конвейер, по которому движутся кар­тонные коробочки, заполненные порошком какао. Необхо­димо проконтролировать и своевременно отделить от общей массы неполностью заполненную коробочку. Для этого с одной стороны конвейера устанавливается радиоактивный источник на такой высоте, чтобы лучи его захватывали верх­нюю часть коробочки. По другую сторону конвейера распо­лагается газоразрядный счетчик.

Как только луч перекроется неполностью заполненной коробочкой, импульс тока от счетчика будет значительно больше, чем при прохождении заполненной коробочки. Этот импульс заставит сработать реле, приводящее в действие сбрасывающий механизм. Поэтому пустые или неполностью заполненные коробочки автоматически, без участия чело­века, не попадают в готовую продукцию вместе с полными.

Газоразрядный счетчик измеряет толщину материала

Во многих отраслях промышленности происходит про­цесс изготовления листового материала.

В цехах металлургических заводов на мощных прокат­ных станах изготовляются стальные листы, ленты и полосы различных толщин. Высокое качество проката определяется точностью заданной толщины листа. От этого в значитель­ней мере зависит и экономный расход металла.

В бумажной промышленности непрерывным потоком движется бумага, в текстильной промышленности текут бесконечные реки различных тканей. Листовой материал изготовляет промышленность электроизоляционных мате­риалов (различные пластмассы, органическое стекло, эбо­нит и др.). И всюду необходимо замерять толщину или вес материала. Для этого содержалась огромная армия контро­леров, которые беспрестанно микрометрами или специаль­ными толщиномерами контролировали качество выпускае­мой продукции.

В настоящее время на смену людям — контролерам— пришли точные, безошибочные, автоматические радиоактив­ные контролеры. Это привело к значительному ускорению технологических процессов и к огромной экономии средств.

Метод непрерывного измерения толщины листового ма­териала основан на изменении интенсивности излучения в зависимости от изменения толщины материала.

Рисунок 32 дает наглядное представление об этом ме­тоде. Под движущейся лентой проката помещается радио-

Двтамшгя/ес/ст! регулятор Рис. 32. Схема автоматического измерения и регу­лировки толщины листовой стали при прокате.

Активный источник излучения. Сверху над источником рас­положен газоразрядный счетчик. Как только толщина про­катываемого материала изменится, сразу же изменится средний ток счетчика или скорость счета. Усилитель, соеди­ненный со счетчиком, передает сигнал о нарушении допуска на пульт управления. Отсюда автоматически производится соответствующее изменение режима работы прокатного стана.

Приборы подобного типа применяются в бумажной, ре­зиновой и кожевенной промышленности.

Так, для контроля толщины кож по поглощению в них у-излучения разработан и успешно применяется прибор, в котором используется галогенный счетчик, работающий в токовом режиме. В приборе применена упрощенная компен­сационная схема, в которой компенсирующий источник рас­полагается на стрелке указывающего прибора.

Для измерения толщины тонких покрытий применяются толщиномеры, работающие на принципе обратного рассеи­вания [5-частиц.

Известно, что всякое вещество не только пропускает р-частицы, но и частично отражает их (рассеивает). Отраже­ние происходит не только поверхностью, но и внутренними слоями вещества. Поэтому с увеличением толщины материа­ла количество отраженных лучей увеличивается.

Однако из глубоколежащих отражающих слоев (5-ча - стицы уже не способны выйти наружу. При этом с дальней-

Рис. 33. Схема измерения толщины полуды при изготовлении белой жести.

Шим увеличением толщины количество отраженных частиц остается постоянным. Интенсивность рассеивания р-частиц различна для различных материалов и возрастает с ростом атомного номера вещества. Поэтому, если на подложку — скажем, лист железа — нанести тонкий слой олова (полу­ды), то толщину этого слоя можно измерить вследствие того, что интенсивность отраженного потока от чистого железа будет меньше, чем от луженого. Поэтому с увеличе­нием толщины полуды интенсивность рассеивания возра­стает.

Для измерения интенсивности отраженного потока на его пути помещается газоразрядный счетчик (рис. 33), ко­торый и зарегистрирует все изменения интенсивности, опре­деляемые изменением толщины полуды. Такие приборы применяются для контроля процесса изготовления белой жести.

Неодинаковая способность вещества рассеивать р - и у-лучи используется в геологоразведывательных работах для обнаружения и измерения толщины рудного пласта. Для этого в буровую скважину на тросе опускают источник у-из - лучения, на некотором расстоянии от которого опускается газоразрядный счетчик, защищенный от прямых у-лучей.

Гамма-лучи, попадая в толщину различных пластов по­роды, рассеиваются по-разному. Наиболее плотные пла­сты, содержащие металлы, рассеивают большее количество у-лучей. Это рассеянное излучение измеряется газоразряд­ным счетчиком, и самопищущий прибор на поверхности земли запишет на ленту все изменения в плотности породы. По наибольшей интенсивности судят о глубине залегания рудных пластов и их толще.

Газоразрядный счетчик считает штучные изделия на конвейере

При фасовке папирос, круп, конфет, печенья, тюбиков зубной пасты, флаконов с духами и других продуктов в различных областях промышленности применяется конвейер­ный способ производства. Для подсчета готовой продукции пользуются различными приборами, автоматически реги­стрирующими число изготовленных изделий. Если кон­вейер движется медленно, порядка нескольких десятков изделий в минуту, применяют фотоэлементы, на которые падает луч света.

Фотоэлемент регистрирует пересечение изделием свето­вого луча. Однако если скорость движения конвейера со­ставляет от 100 до 10 ООО предметов в минуту, применяют газоразрядный счетчик, так как этот прибор работает прак­тически безинерционно. Для этого используют либо отдель­ный радиоактивный источник, либо вводят в маркировку изделий быстрораспадающийся изотоп радиоактивного ве­щества, и счетчик улавливает его излучение.

Газоразрядный счетчик сортирует руду

При добыче радиоактивных руд газоразрядный счетчик применяется для автоматического отбора руды от пустой породы. На рисунке 34 изображена схема автоматической сортировки руды. На медленно движущуюся ленту транс­портера подаются кусочки мелко раздробленной руды. Над лентой транспортера устанавливается газоразрядный счет­чик, защищенный свинцовым экраном.

Как только под счетчиком проходит кусочек руды, со­держащий уран или торий, в счетчике возникает импульс

Дагонетко Рис. 34. Схема автоматической сортировки радиоактивной руды.

Тока, который заставляет срабатывать сбрасывающее устрой­ство, и кусочек руды сбрасывается с конвейера. А пустая порода проходит мимо счетчика, попадая в отвал.

Разведчики радиоактивных руд

Из большого числа приборов, применяемых в геолого­разведке для обнаружения радиоактивных руд, рассмотрим простейшие типы приборов, указывающих на присутствие радиоактивного излучения. Такие приборы называют ин­дикаторами. Таким образом, индикаторы представляют собой простейшие полевые приборы, предназначенные для обнаружения у-излучения и суммарного [5- и у-излучения с мощностями доз порядка 0,02—0,8 р/час.

Схема одного из простейших индикаторов показана на рисунке 35. Работа его сводится к следующему. При от­сутствии у-излучения почти все напряжение приложено к электродам счетчика, так как емкость счетчика во много раз меньше, чем суммарная емкость неоновой лампочки (МН-5) и конденсатора С2. Как только на счетчик попадают у- или р-лучи, в счетчике возникает импульс разряда, вследствие чего заряжается накопительный конденсатор.

Величина емкости конденсатора подобрана таким обра­зом, что через определенное число импульсов от счетчика напряжение не поднимается до величины, равной на­пряжению зажигания неоновой лампочки, и лампа вспы-

Рис. 35. Схема портативного индикатора радиоактивного излучения.

Хивает. При зажигании лампы конденсатор разряжается, а в телефоне слышится щелчок. Чем выше интенсивность из­лучения, тем быстрее будет заряжаться конденсатор С2 и тем чаще будет вспыхивать неоновая лампочка и чаще будут слышны щелчки в телефоне,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

МЫ познакомились с одним из очень интересных совре­менных газоразрядных приборов — счетчиком заряжен­ных частиц. На нескольких примерах мы рассмотрели об­ласти его применения.

В наше время человечество все более и более проникает в неизведанные глубины атома, познавая законы строения окружающей нас материи, извлекая из нее неисчерпаемые запасы внутриядерной энергии и ставя их на службу чело­вечеству.

Одним из орудий познания сложного строения материи является газоразрядный счетчик.

Ученым еще многое предстоит сделать, прежде чем меха­низм работы газоразрядного счетчика будет вполне ясным и понятным. Но и сейчас использование газового разряда для измерения проникающих излучений таит в себе огромные перспективы.

В этой брошюре мы не смогли рассказать о счетчиках нейтронов и о счетчиках световых квантов, которые также находят все более широкое применение в народном хозяй­стве. Мы не остановились на счетчиках космических лучей.

В наш век, когда советские ученые открыли двери в неизведанные космические пространства, послав туда пер­вых разведчиков, наука об ионизационных методах изуче­ния проникающих излучений поднимается на еще большую высоту.

Первые искусственные спутники Земли были снабжены газоразрядными счетчиками, которые рассказывали нам о силе космических лучей и о рентгеновском излучении Солнца.

И недалеко то время, когда человечество, поставив себе на службу энергию атомного ядра, проникнет в далекие неизведанные звездные миры.

Условные обозначения

А — ангстрем в — вольт Всм — вольт на сантиметр Пмп/мин — импульсов в минуту КмIсек — километров в секунду Мг — миллиграмм Мгом — мегом Мм — миллиметр Мм рт. ст.— миллиметров ртутного столба Мсек — метров в секунду Мэв — миллионов электрон-вольт у. — микрон р — рентген Рчас — рентген в час См — сантиметр Эв — электрон-вольт

СОДЕРЖАНИЕ

TOC o "1-3" h z Введение 3

I. Строение вещества............................................................................. 4

II. Методы обнаружения невидимых лучей......................................... 23

III. Ионизационные газоразрядные счетчики....................................... 39

A. Высоковольтные самогасящиеся счетчики..................................... 39

Б. Низковольтные галогенные самогасящиеся счетчики. . 57

B. Конструкции счетчиков................................................................... 75

IV. Применение газоразрядных самогасящихся счетчиков в на­родном хозяйстве 31

Заключение........................................................................................... 92

Анатолий Васильевич Александров. Счетчики невидимых частиц и излучений. Редактор С. А. Шорыгин. Техн. редактор Н. Мурашова. Корректор В. А. Рокутова.

Сдано в набор 7/VII 1958 г. Подписано к печати 4/Х 1958 г. Бумага 84 X IO8V33. Физ. печ. л. 3,0. Условн. печ. л. 4,92. Уч.-изд. л.4,88. Тираж 50 ООО. Т-08270. Цена книги 1 р. 45 к. Заказ № 2062.

Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва, В-71, Ленинский проспект, 15.

Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Московского городского Совнархоза. Москва, Ж-54, Валовая, 28.

Цена 1 P. 45 к.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХН И КО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

Вып. 72. В. А. ЛЕШКОВЦЕВ. Атомная энергия. Вып. 73. А. Ш. ПЛОНСКИЙ. Радио. Вып. 74. В. А. ПАРФЕНОВ. Редкие металлы. Вып. 75. Ф. М. ИВАНОВ и Г. В. БЯЛОБЖЕСКИЙ. Искус­ственные камни. Вып. 76. Л. К. БАЕВ. Вертолет. Вып. 77. Ю. М. БОГДАНОВ. Наука о прочности. Вып. 78. М. В. БЕЛЯКОВ. Атмосфера. Вып. 79. С. МОРОЗОВ. Фотография в науке. Вып. 80. И. А. КАЛИНИН. Катализ. Вып. 81. К. П. БЕЛОВ. Что такое магнетизм. Вып. 82. И. Л. ОРЕСТОВ. Холодный свет. Вып. 83. А. А. ШТЕРНФЕЛЬД. Межпланетные полеты. Вып. 84. М. ВАСИЛЬЕВ. Вода работает. Вып. 85. И. Ф. ДОБРЫНИН. Электроприборы в быту. Вып. 86. В. П. ЗЕНКОВИу. Морское дно. Вып. 87. А. Ф. ПЛОНСКИИ. Измерения и меры. Вып. 88. Л. А. СЕНА. Светящиеся трубки. Вып. 89. К. Л. БАЕВ и В. А. ШИШАКОВ. Всемирное тя­готение.

Вып. 90. Д. Э. ГРОДЗЕНСКИИ. Атомная энергия — меди­цине.

Вып. 91. А. А. ЖАБРОВ. Почему и как летает самолет. Вып. 92. Ф. И. ЧЕСТНОВ. Незримый путеводитель. Вып. 93. Б. Т. ИВАНОВ и Б. У. БАРЩЕВСКИИ. Объем­ные изображения. Вып. 94. И. А. МЕРКУЛОВ. Газовая турбина. Вып. 95. Б. В. ФОМИН. Радиоэлектроника в нашей жиз­ни.

Вып. 96. К. В. ЧМУТОВ. Сорбция. Вып. 97. А. С. БЕРНШТЕИН. Термоэлектричество. Вып. 98. Г. С. БОБРОВСКИЙ. Водяной пар. Вып. 99. Б. С. БЕЛИКОВ. Телеграф и телефон. Вып. 1 00. А. И. КРАСНОВ. Волчок.

Ф. М. ИВАНОВ. Вакуум. Б. Н. СУСЛОВ. Тяжелая вода.

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

Выпуск 51

Проф. К. К. АНДРЕЕВ

ВЗРЫВ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Москва 1953

16-2-1

Редактор М. И. Рубановач. Техн. редактор С. Н. Ахламов. Корректор А. С. Бакулова.

Подписано к печати 3/1 1953 г. Бумага 84ХЮ8/32. 1 бум. л. 3,28 печ. л. 3,01 уч.-изд. л. 36 680 тип. зн. в печ. л. Т00205. Тираж 150 ООО экз. Цена книги 90 коп. Заказ № 3939.

Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Главполиграфиздата при Совете Министров СССР. Москва, Валовая, 28.

ВВЕДЕНИЕ

К

Огда говорят о взрывчатых веществах, то применение их обычно связывают прежде всего с войной. Это, од­нако, справедливо лишь отчасти. Действительно, совре­менная война немыслима без взрывчатых веществ — главного средства разрушения, применяемого в военной технике. Громадные количества взрывчатых веществ идут в военное время на снаряжение артиллерийских снарядов, авиабомб, мин и других боеприпасов.

Однако, как указывал ещё К. Маркс в письме к рус­скому критику прошлого века Анненкову, порох употреб­ляется или для того, «...чтобы нанести рану человеку, или для того, чтобы вылечить раны того же самого человека»*). В странах господства монополистического капитала, осо­бенно в США, промышленность взрывчатых веществ и после окончания второй мировой войны направлена на ведение войны против героического корейского народа и других народов, борющихся за своё освобождение, на подготовку войны против СССР и стран народной демо­кратии. Это и неудивительно. Милитаризация народного хозяйства, организация новых грабительских войн является одной из главных черт и требований основного экономи­ческого закона современного капитализма, одним из ос­новных путей извлечения максимальных прибылей для обогащения кучки эксплуататоров.

Совершенно иначе используются взрывчатые вещества в нашей стране, стране мира и созидания, в странах на­родной демократии, строящих социализм.

Во время Великой Отечественной войны наша промыш­ленность взрывчатых веществ с честью выполнила задачу полного обеспечения героической Советской армии высо­кокачественными боеприпасами. В послевоенный период промышленность взрывчатых веществ успешно помогает выполнению величественной программы развития народ­ного хозяйства СССР по пути постепенного перехода к коммунизму, намеченной в исторических решениях XIX съезда Коммунистической партии Советского Союза и в гениальном труде товарища И. В. Сталина «Экономи­ческие проблемы социализма в СССР».

Взрывчатые вещества в нашей стране, как и различ­ные машины, сберегают труд обществу и вместе с тем облегчают труд работников. Это и определяет их большую роль в нашем народном хозяйстве как одного из важных средств механизации трудоёмких и тяжёлых работ.

Больше всего взрывчатых веществ потребляет горная промышленность, где они используются для взрывных ра­бот при разработке различных полезных ископаемых. На каждую тонну добытого каменного угля, например, расхо­дуется более 100 граммов взрывчатых веществ. Если учесть огромные масштабы добычи угля, то можно подсчи­тать, что одна только угольная промышленность во всём мире ежегодно потребляет свыше ста тысяч тонн взрывча­тых веществ.

Кроме каменного угля, народному хозяйству требуются руды разных металлов, строительный камень, различные минералы, служащие сырьём для химической и других отраслей промышленности. Всё это добывается также с помощью взрывчатых веществ.

Невиданно короткие сроки, в которые были сооружены за годы сталинских пятилеток мощные гидроэлектро­станции, судоходные и оросительные каналы, небывалые в истории темпы возведения великих строек коммунизма связаны в значительной мере с использованием взрывча­тых веществ.

Взрывчатые вещества применяются также в сельском хозяйстве: с их помощью корчуют пни, осушают болота, расширяя посевные площади.

Взрывной способ широко используется в промышлен­ном и жилищном строительстве, при прокладке дорог, в нефтяной, металлургической и машиностроительной про­мышленности.

Роль взрывчатых веществ в горном деле и других от­раслях промышленности и народного хозяйства в целом так велика, что трудно представить себе, как без них был бы достигнут современный уровень материальной культуры.

Что же такое взрывчатые вещества, на чём основано их действие при взрыве, из чего они изготовляются и как применяются — об этом и рассказывается в нашей книжке.

1. ВЗРЫВ И ГОРЕНИЕ

К

Аждый из нас, кто по кинокартинам, кто по событиям, пережитым в действительности, знаком со взрывом — этим мощным и грозным явлением. В дни Великой Отече­ственной войны от взрывов, организованных бесстрашными советскими партизанами, взлетали на воздух вражеские эшелоны и склады, рушились мосты под ногами окку­пантов.

Сегодня, в мирные дни, взрыв раскрывает нам богат­ства земных недр, помогает прокладывать пути через горы, преграждает течение рек, является нашим помощни­ком в героическом созидательном труде.

Что же такое взрыв и как он действует?

Взрыв представляет собой химическую реакцию, в ре­зультате которой взрывчатое вещество превращается в газы. Эта реакция протекает с выделением тепла и идёт крайне быстро. Например, взрыв килограммовой шашки [14]) широко известного взрывчатого вещества — тротила — может произойти за одну стотысячную долю секунды. За это время образовавшиеся газы не успевают заметно рас­шириться и занимают объём, практически равный объёму, который занимало взрывчатое вещество. Этот объём в не­сколько тысяч раз меньше, чем тот, который занимали бы газы взрыва при атмосферном давлении. Известно, что давление газа тем больше, чем меньше его объём. По­этому газы в момент взрыва имеют огромное давление; к тому же это давление возникает крайне быстро и благо­даря этому действует на окружающие взрывчатое веще­ство предметы как резкий и мощный удар, которого не может выдержать самая прочная сталь, самая крепкая горная порода. Давление взрыва так велико, что его нельзя непосредственно измерить каким-либо известным сейчас прибором — любой прибор разрушился бы при по­пытке такого измерения. По теоретическим расчётам это давление составляет сотни тысяч атмосфер — при взрыве тротила, например, 190 000 атмосфер. По мере удаления от взорвавшегося взрывчатого вещества действие взрыва быстро падает; однако при взрывах больших количеств взрывчатых веществ давление даже на расстоянии не­скольких километров достаточно, чтобы выбить стёкла в окнах домов.

Возникает естественный вопрос: почему же взрыв протекает с такой огромной быстротой? Ведь с химиче­ской стороны реакции, идущие при взрыве, очень похожи, а иногда и те же самые, что и реакции, происходящие при горении топлива. В основном — это окисление углерода с образованием углекислого газа (СО2) или окиси углерода (СО) и водорода с образованием воды (Н20).

Более того, и сами взрывчатые вещества в большин­стве своём способны не только взрываться, но и гореть. Та же шашка тротила, если её поджечь, будет гореть, и при­том довольно медленно, спокойнее и медленнее, чем, скажем, бензин. Наоборот, самое простое горение, напри­мер горение угля, можно поставить в такие условия, что оно будет протекать как сильнейший взрыв. Если взять тонко измельчённый уголь, например в виде сажи, и рас­пылить его в воздухе так, чтобы образовалось пылевое облако, то при поджигании такого облака произойдёт взрыв. Более сильный взрыв можно получить, если сажу пропитать жидким воздухом или кислородом [15]).

Почему же горение в обычных условиях протекает мед­ленно и за счёт чего может быть достигнуто его уско­рение?

Горение угля является химической реакцией соедине­ния углерода с кислородом воздуха. Скорость химических реакций зависит от температуры и от давления. С повы­шением температуры скорость реакции быстро возрастает; если температуру повысить на 10 градусов, то скорость реакции увеличится в два — четыре раза. Расчёт пока­зывает, что если от комнатной температуры перейти к температуре в 1000 градусов, то скорость возрастёт во много миллиардов раз. При увеличении давления скорость химических реакций также возрастает — для некоторых реакций пропорционально давлению, а для других даже быстрее — пропорционально давлению в квадрате, то есть если повысить давление от 1 до 1000 атмосфер, скорость реакции увеличится в 10002, или в миллион раз.

При горении угля выделяется много тепла. Один ки­лограмм угля даёт при сгорании около 8000 больших ка­лорий. Этого количества тепла хватило бы для нагрева до кипения 8 вёдер воды. За счёт выделения большого количества тепла при горении достигается очень высокая температура, особенно, если уголь горит в чистом кисло­роде. При горении на воздухе, содержащем, как известно, только 21 процент кислорода, выделяющееся тепло расхо­дуется не только на нагрев образующегося углекислого газа, но и на нагрев азота. Температура получается по­этому ниже, но всё же весьма высокая — она может до­стигать 2700 градусов. Таким образом, реакция горения угля происходит при очень высокой температуре, и ско­рость её могла бы быть чрезвычайно большой. Несмотря на это, горение протекает медленно. Причина этого заключается в том, что реакция может идти только на по­верхности куска угля, где он соприкасается с воздухом, а эта поверхность обычно невелика. Кроме того, обра­зующиеся при горении газы отделяют поверхность угля от воздуха и мешают поступлению к ней новых порций кислорода.

Из сказанного ясно, что для ускорения горения надо, с одной стороны, увеличить поверхность угля и, с другой, облегчить доступ к ней кислорода воздуха. Это и дости­гается тонким измельчением угля и распылением его в воз­духе так, чтобы каждая пылинка была окружена нужным для сгорания количеством кислорода.

Представим себе, что мы имеем уголь в виде кубиков с длиной ребра 10 сантиметров. Поверхность одного такого кубика будет равна 600 квадратным сантиметрам. Измельчим теперь каждый кубик в частицы той же формы, но с длиной ребра в одну тысячную сантиметра. Тогда поверхность будет составлять уже не 600, а шесть миллионов квадратных сантиметров, то есть увеличится в 10 000 раз. Соответственно уменьшится и время сгорания угля. Однако тонкое смешение участников реакции, кото­рое необходимо, чтобы она могла протекать быстро, само по себе ещё не всегда достаточно для получения взрыва. Это видно хотя бы из того, что даже такие взрывчатые ве­щества, как тротил, пироксилин и другие, в которых и го­рючие элементы (углерод и водород) и кислород входят в состав одной и той же молекулы, при поджигании спо­собны к медленному горению.

Почему это так и что нужно для того, чтобы получить взрыв?

Поднесём на короткое время к шашке тротила, встав­ленной в жестяной стакан[16]), небольшое пламя. При этом поверхностный слой тротила нагреется, скажем, до 200 градусов. В нагретом слое будет итти химическая реакция с выделением тепла. Одновременно тепло будет отдаваться следующему слою тротила и в окружающий воздух. При 200 градусах скорость реакции и количество выделяющегося при ней тепла невелики. В каждую еди­ницу времени тепловые потери будут больше прихода тепла. Поэтому температура в слое будет падать, и реак­ция прекратится.

Повторим опыт, но будем держать пламя дольше, что­бы тротил нагрелся на поверхности до 400 градусов. Если мы теперь отнимем пламя, то температура в слое тротила не только не понизится, но будет возрастать. При 400 гра­дусах химическая реакция в тротиле идёт так быстро, что тепла выделяется больше, чем его теряется вследствие теплоотдачи, и дальнейший разогрев слоя идёт сам по себе.

Однако, хотя реакция и быстрая, но идёт она только в тонком, нагретом пламенем слое, так как остальной тротил ещё холодный. В результате реакции образуются газы с высокой температурой. Они нагревают следующий слой тротила, вызывая в нём быструю реакцию. Этот процесс повторяется от слоя к слою, пока не сгорит весь тротил.

Нагрев слоя, вступающего в реакцию, происходит путём теплопроводности. Передача тепла теплопровод­ностью — довольно медленный процесс. В этом легко убедиться, погрузив, например, конец чайной ложки в го­рячий чай. Ощущение тепла дойдёт до руки только через несколько секунд.

Поскольку передача тепла при горении происходит медленно, то и скорость распространения горения мала. При горении с торца шашка тротила высотой 10 санти­метров сгорает за 15 минут.

Допустим теперь, что вместо того, чтобы поджигать тротиловую шашку, мы произведём по ней очень сильный удар, подобный тому, какой испытала бы шашка при по­падании в неё пули, но ещё более резкий. При таком ударе верхний слой тротила сожмётся и от сжатия сильно разо­греется, подобно тому как разогревается поверхность на­ковальни от удара по ней молота. Вследствие высокой температуры в слое пройдёт химическая реакция. Скорость её будет при этом гораздо выше, чем при горении, так как здесь возникнет не только высокая температура, но и большое давление, созданное ударом, а давление, как мы видели, также сильно ускоряет реакцию. Образовав­шимся газам некуда расширяться: с одной стороны уда­ряющая поверхность, с другой — тротил. Поэтому газы будут иметь очень большое давление, которое сожмёт со­седний слой тротила. Сжатие вызовет в этом слое разогрев и быструю химическую реакцию. Таким образом, как и при горении, реакция, начавшись на поверхности шашки, распространится по ней последовательно, пока не про­реагирует всё взрывчатое вещество.

Основное, качественное отличие взрыва от горения за­ключается в том, что при взрыве разогрев, вызывающий реакцию, передаётся не теплопроводностью, а сжатием. Передача энергии сжатием, или, как называют этот про­цесс, ударной волной, происходит несравненно быстрее, чем теплопроводностью,— со скоростью, достигающей не­скольких километров в секунду.

Если взять длинный металлический стержень, на один конец его положить руку, а по другому ударить молотком, то будет казаться, что рука ощущает толчок в момент удара. Это ощущение ошибочно; действие удара распро­страняется по стержню с определённой скоростью и дохо­дит до руки через некоторый промежуток времени. Однако этот промежуток времени слишком мал, и для нашего ося­зания момент удара и восприятия его рукой неразли­чимы, подобно тому как не различимы для глаза отдель­ные кадры кинокартины.

В тротиловой шашке взрыв распространяется от од­ного конца до другого за одну стотысячную долю секунды, в миллион раз быстрее, чем при горении. Это время так мало, что если мы будем смотреть на взрывающуюся шашку, нам покажется, что взрыв произошёл мгновенно и одновременно во всех её частях. На самом деле это не так: взрыв распространяется по взрывчатому веществу с определённой, очень большой скоростью, которая может быть измерена точными физическими методами. Скорость распространения взрыва в различных взрывчатых веще­ствах заключается между 1 и 8,5 километра в секунду.

Для тротила она равна 6,7 километра в секунду. Взрыв в тротиле распространяется в 20 раз быстрее, чем звук в воздухе, и в 9 раз быстрее, чем летит винтовочная пуля; при такой скорости путь от Москвы до Ленинграда был бы пройден за полторы минуты.

Чем больше скорость распространения взрыва, тем сильнее и резче удар, производимый газами взрыва, тем больше дробящее действие взрыва.

Это действие можно ещё более усилить, направляя его на определённый, небольшой участок разрушаемого объекта, например брони, которую нужно пробить. Такое сосредоточение действия взрыва основано на явлении так называемой кумуляции (от латинского слова «кумуля - цио» — увеличение), известном давно, но широко исполь­зованном впервые во второй мировой войне.

Явление кумуляции можно пояснить таким опытом (рис. 1). На стальную плиту поставлены два цилиндриче­ских заряда взрывчатого вещества одинаковых размеров, но один сплошной, а другой с конической выемкой в ниж­ней части. Если эти заряды взорвать, то сплошной заряд даст на плите вмятину на большой площади, но малой глубины, а заряд с выемкой, меньший по весу, пробьёт плиту насквозь, хотя и на малой площади. Такое сосредо­точение действия взрыва объясняется тем, что газы взрыва, движущиеся от поверхности конуса, встречаются на оси его и образуют мощную тонкую струю, пробиваю­щую стальную плиту.

Сплошной Заряд Заряд с Выемкой Рис. 1. Схема действия кумулятивного заряда.

Пробивное действие получается ещё сильнее, если ко­ническая выемка имеет металлическую облицовку не­большой толщины. Тогда кумулятивная струя включает в себя тяжёлый металл, движущийся с огромной ско­ростью, и врезается в сталь, как нож в масло.

В дни Великой Отечественной войны снаряды, гранаты и мины с кумулятивным зарядом были с успехом приме­нены для борьбы с вражескими танками, бронетранспор­тёрами и дотами.

2. ТРИ КЛАССА ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

И

Стория открытия взрывчатых веществ — героические страницы в летописи химии. Часто химик, полу­чая новое соединение, не подозревал о том, что оно спо­собно взрываться, и дорого—потерей пальцев, зрения, а иногда и жизни — оплачивал своё открытие.

Некоторые взрывчатые вещества, открытые химиками, настолько чувствительны, что взрываются от малейшего прикосновения.

Примером такого вещества может служить иодистый азот — порошок чёрного цвета, образующийся при взаи­модействии иода с раствором аммиака. Во влажном виде этот порошок не взрывается, но если дать ему высохнуть, то он становится таким чувствительным, что взрывается от самого слабого воздействия, например от прикоснове­ния бородки птичьего пера. Иодистый азот взрывается даже от сильного света, например от вспышки магниевого состава, применяемого при фотографировании.

Понятно, что такие сверхчувствительные взрывчатые вещества не могут иметь практического значения, так как опасность взрыва при обращении с ними чрезмерно ве­лика. И если бы химия знала только взрывчатые соедине­ния типа иодистого азота, то взрывчатые вещества не по­лучили бы того применения, какое они имеют в наше время.

Следует указать, что нет прямой связи между количе­ством энергии, которую нужно затратить для возбуждения взрыва взрывчатого вещества, и количеством энергии, ко­торую оно даёт при взрыве. Это относится не только к взрывчатым веществам. Зажечь дрова, например, легче, чем каменный уголь, хотя при горении угля тепла выде­ляется вдвое больше.

Представим себе камень, лежащий на возвышении. Если столкнуть его с этого возвышения, то он будет па­дать, приобретая всё большую и большую скорость. Уси­лие, которое нужно, чтобы вызвать падение камня, не зави­сит от того, на какой высоте он находится. Скорость же и кинетическая энергия, которые приобретает падающий камень, тем больше, чем больше высота падения.

Учёными были открыты взрывчатые вещества, превос­ходящие иодистый азот по силе действия и в то же время обладающие несравненно меньшей чувствительностью. Возбудить взрыв таких взрывчатых веществ теплом и уда­ром настолько трудно, что некоторые из них долгое время после их открытия даже не считались взрывчаты­ми. Так, пикриновая кислота, которая была открыта в 1788 году, в течение почти ста лет использовалась толь­ко как жёлтая краска. И лишь в 1873 году было уста­новлено, что эта краска является сильнейшим взрывчатым веществом.

Тротиловая шашка не взрывается от удара при паде­нии на землю с любой высоты. Тротил не взрывается даже при простреле обычной винтовочной пулей. Чтобы вызвать его взрыв, требуется удар ещё большей резкости. Доба­вим, что и зажигаются такие взрывчатые вещества, как тротил или пикриновая кислота, с трудом; например, за­жечь тротил гораздо труднее, чем бумагу или керосин. А некоторые взрывчатые вещества от спички вообще не за­гораются.

Чувствительность некоторых взрывчатых веществ к внешним воздействиям настолько мала, что это иногда и в наше время приводило к недооценке возможности взрыва, имевшей катастрофические последствия. На не­мецком химическом заводе в Оппау в числе других про­дуктов производилась удобрительная смесь, состоящая из аммиачной селитры и сернокислого аммония. Завод работал круглый год, но смесь вывозилась в сельские районы только осенью. Готовый продукт ссыпали в за­водские склады. При длительном хранении рыхлый по­рошок слёживался в сплошную камнеобразную массу. Дробление этой массы обычными механическими спосо­бами при разгрузке складов было затруднительным, и на заводе применили для этой цели взрывной способ. Предварительно обычными испытаниями установили, что смесь не взрывается. Было произведено около двух тысяч подрывов слежавшейся смеси, и вдруг при оче­редном подрыве, утром 21 сентября 1921 года, склад, а вместе с ним и весь завод взлетели на воздух. На месте взорвавшегося склада образовалось озеро длиной 165, шириной около 100 и глубиной около 20 мет­ров (рис. 2).

Большие разрушения были вызваны взрывом в Оппау, где было разрушено большинство домов. Число убитых при взрыве превысило 500 человек.

Последующие широкие исследования, проведённые в Разных странах, показали, что в известных условиях, кото­рые, очевидно, и имели место при взрыве в Оппау, данная смесь способна взрываться. После этого случая взрывное рыхление подобных смесей было запрещено, и теперь до­пускается только механическое дробление, которое не мо­жет вызвать их взрыва.

Число взрывчатых веществ, подобных тротилу или пик­риновой кислоте, не взрывающихся от зажигания или сла­бого удара, велико.

Рис. 2. После взрыва на химическом заводе в г. Оппау.

Все они составляют основной класс взрывчатых ве­ществ и называются дробящими, или вторичными. Первое название — дробящие — обусловлено тем, что эти взрыв­чатые вещества используются для целей дробления; смысл второго названия будет пояснён ниже.

То, что вторичные взрывчатые вещества не взрываются от пламени, а также от ударов умеренной силы, очень важно для безопасности их производства и применения. В процессе производства взрывчатое вещество приходится иногда нагревать, и при недосмотре возможно самовоспла­менение. В ряде случаев взрывчатые вещества подвер­гаются механической обработке. При применении их тоже нельзя полностью избежать толчков и ударов. Нако­нец, возможны пожары при производстве и хранении взрывчатых веществ, и бывает, что они загораются.

Если бы взрывчатое вещество во всех этих случаях не просто сгорало, а давало взрыв, то каждое его воспламе­нение приводило бы к разрушительной катастрофе. Это сделало бы производство и широкое применение взрывча­тых веществ практически невозможными.

Но посмотрим на этот вопрос с другой стороны. Если взрывчатое вещество взрывается только от очень сильного удара, то спрашивается: как же вызвать его взрыв в реальных условиях применения? Представим себе заряд взрывчатого вещества, помещённый в узком и длинном углублении, выбуренном в горной породе. Чтобы произвести по этому заряду сильный механи­ческий удар, достаточный для возбуждения взрыва, по­требовалось бы сложное устройство, приводимое в дейст­вие на расстоянии и уничтожающееся при каждом взрыве. Это было бы слишком дорого и поэтому практически нецелесообразно. Значит, нужен какой-то другой, более простой, способ производить удар по заряду взрывчатого вещества.

Именно такая задача и стояла перед взрывной техни­кой около ста лет назад, когда надо было внедрить в гор­ное дело взамен слабого по действию чёрного пороха [17]) открытые к тому времени современные вторичные взрыв­чатые вещества.

Пионерами в решении этого вопроса были русские ис­следователи, знаменитый химик проф. Н. Н. Зинин и военный инженер В. Ф. Петрушевский. В 1854 году они предложили применять нитроглицерин для снаряжения снарядов и мин и разрабатывали практические способы возбуждения его взрыва.

В царской России работы Зинина и Петрушевского не получили развития; однако они стали известны швед­скому предпринимателю и инженеру А. Нобелю. Послед­ний присвоил себе идеи русских учёных и разработал на их основе способ применения нитроглицерина для взрывных работ.

Рис. 3. Действие инициирующих взрывчатых веществ: слева — азид свинца, поджигаемый на стеклянной пластинке; справа — отверстие, пробитое в стеклянной пластинке взрывом азида Свинца.

Задача надёжного возбуждения взрыва вторичных взрывчатых веществ была окончательно разрешена при­менением для этой цели взрывчатых веществ другого класса — инициирующих взрывчатых веществ: гремучей ртути, азида свинца и др. Основной особенностью этих взрывчатых веществ является то, что горение их, вызван­ное поджиганием, очень быстро, иногда практически мгно­венно, переходит во взрыв.

Если крупинку инициирующего взрывчатого веще­ства — азида свинца — положить на лист жести или на стеклянную пластинку и поджечь, то происходит взрыв, пробивающий в жести или в стекле отверстие. Действие взрыва настолько местное, резкое, что сама стеклянная пластинка остаётся целой, и трещин обычно не обра­зуется (рис. 3).

Если немного азида свинца поместить на заряд вторич­ного взрывчатого вещества и поджечь, то взрыв его про­
изводит такой сильный удар по вторичному взрывчатому веществу, что взрывается и оно.

Огнепроводный шнур Рис. 4. Устройство капсюля - детонатора.

На практике возбуждение взрыва на основе этого принципа осуществляется при помощи капсюля-детона­тора. В простейшем своём виде он представляет собой гильзочку (рис. 4), металлическую или бумажную, диа­метром 6—7 миллиметров, в которую запрессовано не­большое количество (1—2 грамма) инициирующего взрыв­

Рис. 5. Заряд взрывчатого вещества с введённым в него капсюлем-детонатором.

Чатого вещества. Капсюль-детонатор помещается в заряде вторичного взрывчатого вещества (рис. 5); при поджига­нии (тем или иным способом) инициирующее взрывчатое вещество в капсюле-детонаторе взрывается и вызывает взрыв вторичного взрывчатого вещества.

Поэтому взрывчатые вещества этого класса и назы­ваются инициирующими, то есть «начинающими», взрыв­чатыми веществами (от латинского слова «инициаре» — начинать).

В отличие от них взрывчатые вещества типа тротила, взрыв которых в условиях практического применения возникает вторично — от взрыва инициирующего взрывча­
того вещества в капсюле-детонаторе, называются вторич­ными.

Так как инициирующие взрывчатые вещества взры­ваются от пламени, искры и т. п., производство их более опасно. Опасность усугубляется тем, что взрывчатые ве­щества этого класса обладают и большой чувствитель­ностью к удару и трению. При этом удар всегда приво­дит не к горению, а к взрыву.

Однако инициирующих взрывчатых веществ требуется по сравнению с вторичными очень мало, и при соблюде­нии жёстких мер предосторожности опасность случайного

К источнику тока Мастика Инициирующее вещество

Воспламенительная Воспламенительный проволочка состав

Рис. 6. Схема устройства электродетонатора.

Взрыва при их изготовлении может быть практически предотвращена. К тому же некоторые из инициирующих взрывчатых веществ, как, например, старейшее из них и широко применяемое до сих пор — гремучая ртуть, боль­шую часть производственного процесса проходят во влаж­ном состоянии, в котором они утрачивают как свою чув­ствительность к механическим воздействиям, так и способ­ность взрываться от пламени.

При возбуждении взрыва капсюлем-детонатором под­жигание капсюля должно производиться на расстоянии, так, чтобы от взрыва не пострадал взрывник. Это дости­гается применением электрического способа поджигания с помощью электродетонатора. В капсюль-детонатор (рис.6) введены проводники. Концы этих проводников соединены короткой тонкой проволочкой, окружённой легко воспламеняющимся составом. При пропускании тока проволочка накаливается, состав воспламеняется и зажигает инициирующее взрывчатое вещество в капсюле- детонаторе.

Другой способ безопасного поджигания капсюля-дето­натора основан на применении огнепроводного (бикфор­
дова) шнура. Этот шнур представляет собой прочную ни­тяную оболочку, внутри которой находится чёрный порох. Оболочка пропитывается влагоизоляционным материалом. При зажигании шнура его пороховая сердцевина горит со скоростью 1 сантиметра в секунду.

Взрывник прочно вставляет отрезок шнура нужной длины в капсюль-детонатор и после того, как подготовка взрыва полностью закончена, поджигает другой его конец. Шнур горит столько секунд, сколько сантиметров было в отрезке. За это время человек удаляется на безопасное расстояние. Когда шнур догорает до конца, вставленного в капсюль-детонатор, он поджигает инициирующее взрыв­чатое вещество, оно взрывается и вызывает взрыв вторич­ного взрывчатого вещества.

Итак, вторичные взрывчатые вещества применяются для получения разрушительного действия взрыва; иници­ирующие взрывчатые вещества служат для возбуждения взрыва вторичных взрывчатых веществ. Кроме того, взрывчатые вещества применяются ещё и в качестве ме­тательного средства. Для этих целей используются взрыв­чатые вещества третьего класса — метательные взрывча­тые вещества, или пороха.

Многие из нас увлекаются охотой. Вот охотник, за­таив дыхание, высматривает поющего свою весеннюю песню токующего глухаря, смутно заметного сквозь ветви сосны на бледном фоне предрассветного неба. Наведя едва ещё видимую мушку на тёмное пятно, охотник нажи­мает спуск, раздаётся выстрел, и огромная птица, ломая сучья, с шумом падает на землю.

19

Как происходит выстрел? В гильзе находится порохо­вой заряд, закрытый войлочным пыжом, выше — снаряд (дробь или пуля). В головку гильзы вставлен капсюль- воспламенитель. При спуске курка по капсюлю ударяет острый боёк; состав, находящийся в капсюле-воспламени­теле, загорается и поджигает порох. Так как образую­щимся пороховым газам уходить некуда, то давление их быстро растёт. С ростом давления увеличивается и ско­рость горения (величина скорости горения бездымного по­роха приблизительно пропорциональна давлению). Когда давление достигает определённой величины, снаряд начи­нает двигаться по стволу со всё возрастающей скоростью,

2*
Вылетает из него и летит по направлению к цели. Чем больше скорость, с которой вылетает из ствола снаряд, тем больше дальность его полёта.

Горение пороха при выстреле должно быть безусловно устойчивым, то есть никогда не должно переходить во взрыв. Если произойдёт взрыв, то давление настолько уве­личится, что ствол будет разорван.

Отсюда ясно, что инициирующие взрывчатые вещества не могут быть использованы как метательные: их горение неизбежно перешло бы во взрыв.

Однако и вторичные взрывчатые вещества в обычном их виде также нельзя применять как пороха. Горение этих взрывчатых веществ устойчиво не при всех условиях; в частности, если горение идёт при быстро возрастающем давлении, как это происходит при выстреле, то оно может перейти во взрыв. Большую роль при этом играют физи­ческая структура и свойства взрывчатого вещества. Так, если применить вместо пороха пироксилин, имеющий структуру тонко измельчённой ваты, то горение его тот­час переходит во взрыв. Но если тот же пироксилин рас­творить в соответствующем растворителе, то после испа­рения последнего мы получим пироксилиновый порох — массу, напоминающую целлулоид; этот порох устойчиво горит при любых условиях.

Нитроглицерин — взрывчатое вещество, имеющее вид вязкой маслообразной жидкости,— также легко даёт взрыв при горении в условиях выстрела, то есть при возрастаю­щем давлении. В сочетании же с пироксилином он обра­зует нитроглицериновый порох, напоминающий по своим физическим свойствам рог, горение которого во взрыв уже не переходит.

От порохов требуется, чтобы они в условиях выстрела не только горели без перехода во взрыв, но и давали воз­можность надёжно и точно регулировать быстроту сгора­ния порохового заряда во время выстрела.

Зачем это нужно?

А вот зачем. Скорость, с которой снаряд вылетает из ствола, зависит от величины энергии, сообщаемой поро­ховыми газами снаряду. Эта энергия приблизительно равна силе давления на дно снаряда, умноженной на длину ствола. Наибольшую энергию снаряд получает

Тогда, когда давление на протяжении всего его пути в стволе остаётся постоянным и соответствующим прочно­сти ствола.

Во время выстрела снаряд в стволе движется всё быст­рее и быстрее, и объём, который занимают пороховые газы, становится всё больше. Понятно, что если бы коли­чество газов, образующихся при горении порохового за­ряда, было постоянным, то давление стало бы быстро падать. Для того чтобы давление не падало или, по край-

Рис. 7. Одноканальный и многоканальный трубчатый порох.

Ен

6

Многоканальная трудна Поверхность при горении возрастает

Одноканальная трубка Поверхность при горении постоянна

Ней мере, падало возможно медленнее, нужно, чтобы газов при горении порохового заряда образовывалось в каждый последующий момент больше, чем в предыдущий.

Как это достигается?

Горение современных порохов происходит только на поверхности их частиц, быстро охватываемой пламенем при воспламенении. Но частицам пороха можно придать такую форму, чтобы поверхность их при горении возра­стала, например форму многоканальных трубок. Каждая такая трубка горит и по своей наружной поверхности и по внутренней поверхности каналов. Из рисунка 7, а видно, что при этом общая величина горящей поверхности будет возрастать и количество газов соответственно будет всё время увеличиваться.

Иногда целесообразно придавать пороху такую форму, чтобы величина поверхности горения оставалась постоян­ной. Для этого порох изготовляют в виде длинных одно - канальных трубок или тонких лент. Если проследить за последовательным состоянием такой трубки или ленты при горении со всех сторон, то можно убедиться (рис. 7, б), что в ходе горения величина поверхности будет оставаться почти постоянной.

Наименее благоприятной формой пороховых частиц является кубик или шарик, так как в этом случае поверх­ность при горении будет быстро уменьшаться.

Помимо формы частиц пороха, важное значение имеет их толщина, например толщина ленты, пластинки, стенки трубки и т. п. Эта толщина имеет определённую величину для пороха, предназначенного для того или иного вида оружия, и подбирается на основе следующих соображений. Положим, что имеются винтовка и пистолет с одинаковой толщиной ствола, рассчитанной на определённое давление, и что ствол пистолета в 7 раз короче, чем ствол винтовки. Соответственно меньше и время движения пули в стволе пистолета. Поэтому толщина пороховых частиц для писто­лета должна быть гораздо меньше, чем для винтовки, иначе порох в нём при выстреле не успеет сгореть.

Порох в виде особенно тонких частиц применяется для тех видов огнестрельного оружия, в которых ствол не только короткий, но и тонкостенный и горение идёт при низких давлениях, например в охотничьих ружьях и в миномётах. Пластинки пороха для охотничьих ружей имеют толщину 0,1 миллиметра, для пушек же, имеющих длинный и толстостенный ствол, толщина лент доходит до 5 миллиметров.

Чтобы горение протекало закономерно и было устойчи­вым, порох должен удовлетворять ещё одному требова­нию: он должен быть прочным. При выстреле давление за тысячные доли секунды может возрастать до 2000— 3000 атмосфер. Частицы пороха должны выдерживать та­кой резкий подъём давления, не разрушаясь.

Необходимая прочность пороха достигается примене­нием для его изготовления нитроклетчатки (пироксилина). Нитроклетчатка соответствующей обработкой может быть переведена в пластическую массу, из которой можно легко получать частицы любой формы и любых размеров, обла­дающие большой прочностью. По своему внешнему виду и физическим свойствам такой порох напоминает, как уже указывалось, целлулоид (который, кстати сказать, сам содержит значительное количество нитроклетчатки).

Важнейшую роль в изучении нитроклетчатки и её использовании для порохов сыграли исследования гениаль­ного русского химика, творца периодической системы эле­ментов Д. И. Менделеева. Он не только раскрыл тща­тельно оберегавшийся французами секрет изготовления нового для того времени пироксилинового пороха, но и раз­работал оригинальный и более совершенный его вид — так называемый пироколлодийный порох.

В царской России открытие Менделеева не получило признания и применения; оно было использовано на по­роховых заводах США, производивших в значительных ко­личествах пироколлодийный порох и даже поставлявших его России в годы первой мировой войны. Вклад Д. И. Менделеева в пороходелие этим не ограничился. Он предложил и ввёл в производство новый способ обезвожи­вания нитроклетчатки, упростивший и обезопасивший этот процесс. Последующие исследования А. В. Сухинского, В. Н. Никольского, И. Н. Захарова, А. В. Сапожникова и др. ещё более способствовали дальнейшему усовершен­ствованию производства пороха и выдвинули русское по­роходелие на первое место в мире.

3. УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

М

Ы видели, что основным отличием трёх классов взрыв­чатых веществ друг от друга, отличием, на котором основано их техническое использование, является различ­ная степень устойчивости их горения: наименьшая у ини­циирующих взрывчатых веществ, наибольшая у порохов; вторичные взрывчатые вещества занимают в этом отно­шении промежуточное положение.

Что же определяет устойчивость горения взрывчатых веществ и почему различаются в этом отношении взрывча­тые вещества разных классов?

Вернёмся к тротиловой шашке и представим себе, что мы зажгли её с поверхности. При горении образуются газы; давление у горящей поверхности от этого возрастает подобно тому, как повышается давление в чайнике, когда в нём кипит вода и образуется пар, подбрасывающий крышку. За счёт повышения давления над горя­щим взрывчатым веществом газы и расширяются, отте­кают от поверхности тротила.

Повышение давления определяет и скорость оттока образующихся газов, и скорость горения, то есть, иначе го­воря, скорость образования газов.

Скорость оттока газов практически не зависит от того, какое взрывчатое вещество горит. Скорость же горения различных взрывчатых веществ, напротив, по - разному зависит от давления: у одних сильнее, у других слабее.

Если скорость горения растёт с давлением сильнее, чем скорость оттока газов, то давление будет возрастать, и горение, ускоряясь, перейдёт во взрыв.

Если, наоборот, скорость горения увеличивается при повышении давления медленнее, чем скорость оттока га­зов, то образующиеся газы будут успевать расширяться, давление перестанет повышаться, и горение пойдёт устой­чиво при постоянном давлении, лишь немного превышаю­щем атмосферное.

Так это и происходит при горении тротила, а также всех других вторичных взрывчатых веществ. Скорость их горения мала и слабо зависит от давления; поэтохму горе­ние их является устойчивым.

Инициирующие же взрывчатые вещества имеют боль­шую скорость горения, и она так быстро растёт с давле­нием, что горение ускоряется и переходит во взрыв.

Однако и вторичные взрывчатые вещества, как мы ви­дели на примере пироксилина и нитроглицерина, могут давать переход горения во взрыв. Это возможно в тех слу­чаях, если взрывчатое вещество рыхлое, пористое или жидкое. В процессе горения пористого взрывчатого веще­ства нагрев его от слоя к слою может происходить не только медленным путём теплопроводности, но и иначе: под влиянием некоторого повышения давления, возникаю­щего у горящей поверхности, газы горения проникают по порам в глубь взрывчатого вещества и поджигают его там (рис. 8). В результате этого скорость горения возрастает и может стать такой большой, что газы горения не будут успевать оттекать; давление будет расти, и горение перей­дёт во взрыв. Сходным, но более сложным путём происхо­дит ускорение горения и переход во взрыв и жидких взрыв­чатых веществ.

Вот почему, когда надо получить большую устойчи­вость горения, необходимую при применении взрывчатого

Сплошное взрывчатое Пористое взрывчатое Вещество вещество Рис. 8. Горение сплошного и пористого взрывчатого вещества.

Вещества для метательных целей, то у твёрдого взрывча­того вещества устраняют его пористость. В этом и заклю­чается, например, сущность процесса изготовления пиро­ксилинового лороха из пироксилина.

Если же взрывчатое вещество жидкое, как, например, нитроглицерин, то его надо лишить подвижности, текуче­сти, свойственной жидкости. Этого достигают, растворяя в нитроглицерине нитроклетчатку. Такой раствор при пра­вильно выбранном составе имеет рогообразную структуру. В нём отсутствуют и поры, и текучесть, характерная для жидкости; его горение не переходит поэтому во взрыв.

Таким образом, отличие порохов от вторичных взрыв­чатых веществ состоит в том, что в порохах отсутствуют поры и они не являются жидкими; это обеспечивает макси­мальную устойчивость их горения. Напротив, если нужно облегчить, ускорить переход горения во взрыв, то взрыв­чатому веществу придают пористое строение. Так, если гремучую ртуть спрессовать до полного отсутствия пор, то она даёт переход горения во взрыв с трудом — лишь при больших — трехграммовых — зарядах. Если же гремучую ртуть спрессовать слабо, как это и делается при производ­стве капсюлей-детонаторов, то она даёт взрыв легко — уже при горении заряда в полграмма.

4. МОЩНОСТЬ ВЗРЫВА

П

Ри постройке железной дороги Кангауз — Сучан на Дальнем Востоке необходимо было проложить выем­ку в Бархатном перевале в скальном грунте. Специалисты

Рис. 9. Взрыв на Бархатном перевале.

Подсчитали, что по старому способу, без применения взрывчатых веществ, прокладка выемки потребует не ме­нее двух лет. Тогда решили применить взрывной способ.

Было заложено десять зарядов взрывчатого вещества общим весом 250 тонн. Их одновременный взрыв (рис. 9) в течение полуминуты выбросил около 60 тысяч кубиче­ских метров породы и образовал выемку протяжением 220 метров, глубиной 22 метра и шириной до 60 метров (рис. 10). Все подготовительные работы к этому взрыву заняли всего около двух месяцев.

Рис. 10. Бархатный перевал после взрыва.

Чем же обусловлена способность взрывчатых веществ производить чрезвычайно большую работу за такое корот­кое время?

Первым приходит в голову довольно естественное объ­яснение причины сокрушительного действия взрыва: во взрывчатом веществе содержится громадный запас энер­гии, который и выделяется при взрыве.

Такое мнение широко распространено. Не так давно один изобретатель рекомендовал заменить все виды при­
меняемого ныне топлива... взрывчатыми веществами. Он даже разработал проект двигателя, в котором огромная, по его предположению, энергия взрывчатых веществ должна была превращаться в работу.

Из таких же соображений исходят предложения о за­мене (частично или полностью) бензина в автомобильных и авиационных двигателях жидкими взрывчатыми веще­ствами.

Однако простой расчёт показывает, что такие предло­жения в корне ошибочны. В килограмме взрывчатых ве­ществ содержится и выделяется при взрыве значительно меньше энергии, чем выделяется при сгорании, например, одного килограмма угля или бензина.

Ниже, в таблице 1, приведены величины энергии, выде­ляющейся при сгорании различных видов топлива и при взрыве различных взрывчатых веществ.

Таблица 1 Теплота горения в больших калориях на 1 кг 4 500 8 000 10 000

Теплота взрыва в больших калориях на 1 кг 700 1000 1600

Сравнивая числа, приведённые в этой таблице, мы ви­дим, что при взрыве килограмма нитроглицерина выде­ляется энергии в пять раз, а при взрыве килограмма тро­тила даже в восемь раз меньше, чем при сгорании кило­грамма угля.

J Дерево Топливо < Антрацит 1 Бензин

Ssrl - Г. Вещество | Нитроглицерин

Однако при таком сравнении мы несколько несправед­ливы по отношению к взрывчатым веществам. Мы берём теплоту горения для одного килограмма топлива, не учи­тывая того количества кислорода, которое необходимо для горения. Взрывчатое же вещество не требует для сво­его взрыва дополнительного количества кислорода, так как он содержится в самом взрывчатом веществе.

Более правильно поэтому и теплоту горения топлива рас­считывать не на один килограмм его, а на один килограмм смеси топлива с нужным для горения количеством кисло­рода. Такое сопоставление дано в таблице 2.

Таблица 2

Теплота горения в больших калориях на 1 кг смеси топ­лива с кислородом Дерево.... 1900 Антрацит. . . 2 200 Бензин.... 2300

Теплота взрыва в больших калориях на 1 кг Чёрный порох. 700

Взрывчатое < вещество [

Тротил .... 1000 Нитроглицерин 1600

Хотя разница в величинах теплоты горения топлив и теплоты взрыва взрывчатых веществ стала в этом случае меньше, однако и здесь количество выделяющейся энергии у топлива больше, чем у взрывчатых веществ.

Следовательно, огромное разрушительное действие взрыва нельзя отнести за счёт большой энергии взрыва.

В чём же тогда его причина?

Действительная причина заключается в том, что энер­гия при взрыве выделяется крайне быстро. Если кило­грамм бензина сгорает в моторе автомашины за 5—6 ми­нут, то для взрыва килограмма взрывчатого вещества тре­буется только одна-две стотысячные доли секунды. Энер­гия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при горении. А это имеет огромное значение.

Топливо

Как известно, работа, выполняемая в секунду, назы­вается мощностью. Чем большую работу способен произ­вести в секунду двигатель, тем выше его мощность. Еди­ница мощности — лошадиная сила. Такой мощностью обладает двигатель, способный в одну секунду проделать работу по подъёму груза в 75 килограммов на высоту одного метра. Паровоз серии «ИС», предназначенный для вождения тяжёлых составов весом до 1000 тонн со ско­
ростью до 130 километров в час, обладает, например, мощ­ностью в 2800 лошадиных сил.

Какую же мощность даёт взрыв обычного двухсотграм­мового патрона аммонита, какие ежедневно десятками тысяч применяются в шахтах для взрывных работ?

Диаметр такого патрона 30 миллиметров, длина 0,25 метра. Если возбудить взрыв с торца патрона, то он будет распространяться со скоростью 5000 мет­ров в секунду и длительность взрыва составит всего

=0,00005 секунды.

Допустим, что коэфициент полезного действия взрыва, то есть доля энергии взрыва, переходящая в механическую работу, составляет 20 процентов и что время совершения работы соответствует времени, в течение которого проис­ходит взрыв. Энергия взрыва одного килограмма аммонита равна 950 большим калориям. Чтобы перевести эту вели­чину в единицы механической работы — килограммо­метры,— надо её помножить на 427. Учитывая, что коэ­фициент полезного действия равен 20%, получаем вели-

* 950-0,2.427.20 1СОЛЛ чину совершенной работы = 16 200 килограм­мометров. Деля величину работы на время её соверше­ния и ещё на 75 (чтобы перейти от килограммометров в секунду к лошадиным силам), мы получаем мощность взрыва патрона аммонита, равную 4,3 миллиона лоша­диных сил.

Таким образом, взрывник, несущий в сумке патрон аммонита, имеет в своём распоряжении огромную мощ­ность. Эта мощность в три раза превосходит мощность крупнейшей американской гидроэлектростанции Боулдер- Дэм, составляющую 1 400 000 лошадиных сил.

Если физическую мощность среднего человека принять равной одной пятой лошадиной силы, то человек, распо­лагающий 200 граммами взрывчатого вещества, как бы увеличивает свою физическую силу в 20 миллионов раз! О такой мощности, которую вложила в руки человека наука, могли только мечтать слагатели народных сказа­ний, наделявшие своих героев сверхъестественной силой.

Понятно, что использование энергии взрыва не может заменить работу электростанций и других силовых уста­новок. Громадная мощность взрыва обусловлена, как мы видели, в первую очередь чрезвычайно большой скоростью выделения энергии; сама же энергия отнюдь не является чрезмерно большой.

Отсюда следует, что взрывчатые вещества целесооб­разно применять только в тех случаях, когда необходимы воздействия чрезвычайно большой мощности, хотя бы и очень кратковременные. Для получения таких воздействий в течение длительного времени потребовались бы громад­ные количества взрывчатых веществ. Так, чтобы получить в течение одних только суток мощность взрыва патрона аммонита в 4 миллиона лошадиных сил, потребовалось бы взорвать около 350 000 тонн взрывчатых веществ,— больше, чем всё годовое потребление взрывчатых веществ в горном деле во всех капиталистических странах Запад­ной Европы.

Таким образом, взрывчатые вещества не заменяют дру­гих источников энергии, они позволяют лишь концентри­ровать энергию во времени и в пространстве в такой сте­пени, в какой это недостижимо никакими иными путями.

Ни одна машина не может при равном весе и разме­рах дать такую колоссальную мощность, какую дают взрывчатые вещества, и там, где эта мощность необходима, взрывчатые вещества — единственное и незаменимое сред­ство её получения [18]).

Большая мощность характерна не только для взрыв­чатых веществ, используемых при дроблении, но и для взрывчатых веществ, применяемых как средство метания.

В обычных средствах передвижения — паровозе, авто­мобиле, самолёте — двигатель сообщает им энергию во всё время движения. Этим компенсируется потеря скоро­сти из-за трения, сопротивления воздуха и т. д. Огне­стрельное оружие тоже является своего рода двигателем. Однако двигатель этот неподвижен; снаряд с момента вы­лета из ствола уже не получает больше энергии. Чтобы дальность полёта была значительной, снаряд в момент вылета должен иметь большую скорость, иначе говоря, большой запас энергии. Эту энергию он получает за время движения в стволе. Так как длина ствола невелика, то и время движения снаряда в нём мало. За это малое время снаряд должен получить большую энергию. Это значит, что мощность работы, совершаемой пороховыми газами и переходящей в энергию движения снаряда, велика.

Рассмотрим в качестве примера выстрел из тяжё­лого орудия, снаряд которого весит 917 килограммов и имеет начальную скорость 523 метра в секунду. Энергия снаряда при вылете из ствола составляет 12 772 ООО кило­граммометров, что примерно в полтора раза больше энер­гии курьерского поезда весом в 300 тонн, движущегося со скоростью 90 километров в час. Эту энергию снаряд по­лучает за время около одной сотой секунды. Отсюда мощ­ность выстрела составит 12 772 ООО : 0,01 = 1 277 200 000 килограммометров в секунду, или около 17 миллионов ло­шадиных сил!

Однако получение такой огромной мощности сопря­жено с быстрым износом двигателя и обходится очень до­рого. После сотни выстрелов орудие выходит из строя. Общее время работы двигателя составляет, таким обра­зом, всего одну секунду. Полная величина этой работы будет равна той, которую паровая машина мощностью в 100 лошадиных сил даст приблизительно за двое суток. Для получения пара при этом потребуется израсходовать около 4,5 тонны угля; после совершения такой работы паровая машина будет вполне исправна и пригодна для дальнейшей работы. Подсчёт показывает, что стоимость работы, получаемой при помощи орудия, в 4000 раз выше, чем при её получении с помощью паровой машины.

Поэтому использование взрывчатых веществ для ме­тания, так же как и для взрыва, целесообразно только в тех случаях, когда необходимо получить огромную мощ­ность, хотя бы и ценой высокой стоимости энергии.

5. СОСТАВ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

М

Ы уже говорили о том, что кусок обыкновенного угля можно превратить во взрывчатое вещество, если его тщательно измельчить и распылить в воздухе. Сделав то же самое с куском дерева, можно также получить спо­
собную ко взрыву пылевоздушную смесь. Взрыв будет ещё сильнее, если горючий порошок смешать с жидким воздухом или с жидким кислородом.

Таким образом, простейшим способом получения взрывчатого вещества является механическое смешение тонко измельчённых горючих веществ с кислородом.

Смеси жидкого кислорода с сажей, торфяной мукой и другими горючими веществами, способными хорошо впитывать жидкий кислород, начали применять в качестве взрывчатых веществ ещё в конце прошлого столетия. В ограниченной степени они используются для взрывных работ и сейчас.

Положительной стороной этих взрывчатых веществ — они называются оксиликвитами — является обилие и до­ступность сырья: залежи торфа широко распространены, а жидкий кислород получают из воздуха.

Изготовление оксиликвитов очень простое и произво­дится на месте выполнения взрывных работ. Бумажная гильза, наполненная горючим порошком, погружается на некоторое время для пропитки в жидкий кислород. По­этому в районах, отдалённых от заводов взрывчатых ве­ществ^ применение оксиликвитов экономически выгодно: отпадают расходы на перевозку и хранение взрывчатых веществ.

Однако оксиликвиты имеют существенный недостаток. Жидкий кислород очень летуч, он кипит, быстро превра­щаясь в пар, уже при температуре 183 градуса ниже нуля. Поэтому срок «жизни» оксиликвитных патронов малого диаметра измеряется минутами. Если производство взрыва почему-либо задержалось, то кислород может настолько улетучиться, что патроны потеряют способность к взрыву. Это препятствует широкому применению оксиликвитов, а для некоторых целей, например для снаряжения боль­шинства видов боеприпасов, делает их применение просто невозможным.

33

Этот недостаток устранён в тех взрывчатых веществах, в которых горючие вещества смешиваются не с самим кислородом, а со специальными нелетучими «поставщи­ками» кислорода. Известен целый ряд химических соеди­нений, которые в своём составе содержат много кисло­рода. В смеси с горючими веществами такие богатые кис-

3 К. К. Андреев
Лородом вещества обычно непрочны: при поджигании, а иногда и просто от удара они распадаются, выделяя кислород, который и окисляет горючие вещества. Это свойство даёт возможность использовать их в качестве «поставщиков» кислорода. Здесь уже нет опасности уле­тучивания кислорода.

В качестве примера таких взрывчатых веществ может служить старейшее из них — чёрный порох. Он состоит из горючего (уголь + сера) и окислителя — калиевой се­литры. Формула калиевой селитры — KN03 — показы­вает, что в ней на три атома кислорода приходится один атом азота и один атом калия. При взрыве селитра разла­гается, азот выделяется в виде газа, калий даёт окись ка­лия К2О (образующую затем углекислую и сернокислую соли калия), а оставшийся кислород окисляет уголь и серу, образуя углекислоту и другие газы.

Однако применение в качестве окислителя калиевой се­литры невыгодно; «свободного» кислорода в ней содер­жится только 40 процентов, и, кроме того, на разложение калиевой селитры требуется значительное количество энергии — 324 большие калории на килограмм. По этой причине теплота взрыва чёрного пороха сравнительно небольшая — около 700 больших калорий на килограмм, в то время как при взрыве смеси угля с жидким кислоро­дом выделяется 2200 больших калорий.

Помимо этого, чёрный порох при взрыве только напо­ловину превращается в газы, остальные продукты взрыва являются твёрдыми веществами.

По этим причинам взрывное действие чёрного пороха мало, и в настоящее время он почти полностью вытеснен во взрывных работах взрывчатыми смесями, главной со­ставной частью которых является аммиачная селитра (NH4NO3). Такие смеси имеют большую теплоту взрыва и при взрыве полностью превращаются в газы.

Если механические смеси состоят из твёрдых окисли­теля и горючего, то их необходимо сильно измельчать и тщательно смешивать. Химическая реакция вначале про­текает только на поверхности частиц, и чем больше эта поверхность, тем быстрее идёт реакция, а только при боль­шой скорости реакция, как мы видели, имеет характер взрыва.

Широко применяется при получении взрывчатых ве­ществ другой способ сочетания горючих элементов и кис­лорода, обеспечивающий идеальную равномерность со­става. Этот способ заключается в получении таких хими­ческих соединений, в молекулу которых входят и горючие элементы (углерод и водород) и кислород. Сгорание таких взрывчатых Ееществ происходит за счёт собственных внут­ренних запасов кислорода, входящего в молекулы соеди­нения.

Например, клетчатка (СбНюОб), являющаяся главной составной частью древесины, содержит много углерода и водорода, а азотная кислота (HN03) — много кислорода. При химическом взаимодействии клетчатки и азотной кис­лоты в определённых условиях и образуется нитроклет­чатка, о которой мы говорили выше. Это химическое сое­динение содержит в своей молекуле как углерод и водород, так и кислород. При этом кислород в большей своей части связан с углеродом не непосредственно, а через атом азота [19]). Такое соединение относительно непрочно и при сильном воздействии, например при ударе, слабая связь между кислородом и азотом разрывается, и кислород сое­диняется с углеродом и водородом с образованием угле­кислоты и воды и большим выделением тепла. Происхо­дит взрыв.

35

Химические соединения, содержащие в своих молеку­лах атомы горючих элементов и кислорода, разъединён­ные азотом, могут быть получены не только из клетчатки. Обрабатывая глицерин азотной кислотой, получают мас­
лянистую, не растворимую в воде жидкость — нитроглице­рин, главную составную часть динамитов.

Сильнейший динамит — гремучий студень — готовится из 93 частей нитроглицерина и 7 частей определён­ного вида нитроклетчатки, растворяющейся в нём с образованием полупрозрачной упругой и вязкой жела­тины, напоминающей, как показывает само название, студень.

Более распространены желатин-динамиты, которые со­держат, кроме нитроглицерина и нитроклетчатки, также селитру и древесную муку.

Динамиты имеют большую энергию взрыва и принад­лежат к числу самых сильных взрывчатых веществ. До Великой Октябрьской социалистической революции они были основным типом взрывчатых веществ в горной про­мышленности нашей страны. Теперь динамиты у нас со­вершенно не применяются из-за своей относительно вы­сокой чувствительности к удару и нагреву, которая делает их опасными в применении.

Иначе обстоит дело в капиталистических странах. Стремление хозяев шахт и владельцев заводов взрывча­тых веществ к получению максимальных прибылей, отсут­ствие заботы о безопасности рабочих тормозят прогресс и в области взрывного дела. До сих пор в горном деле там широко применяются динамиты. Из-за этого ежегодно гибнут и получают тяжёлые увечья тысячи горняков.

В Советском Союзе учёными разработаны новые типы взрывчатых веществ, которые не уступают по эффективно­сти динамитам, но намного безопаснее их.

Из чего же получаются эти взрывчатые вещества?

При сухой перегонке каменного угля, а также при пе­реработке нефти получаются разнообразные углеводо­роды — соединения, состоящие из углерода и водорода в различных соотношениях. Например, при сухой пере­гонке угля из одной его тонны получается около 5 кило­граммов бензола, 0,05 килограмма фенола и до 1,5 кило­грамма толуола. Путём взаимодействия с азотной кислотой могут быть получены нитросоединения, углеводородов, содержащие кислород, соединённый с углеродом через азот.

Наиболее широко применяется нитросоединение одного из углеводородов — толуола—тринитротолуол, или тротил. Он представляет собой светложёлтый порошок, плавя­щийся при 80 градусах в прозрачную густую жёлтую жидкость, которая при охлаждении превращается в твёр­дую массу, напоминающую застывшую серу.

Тротил является основным взрывчатым веществом для военных целей. Часто его применяют не в чистом виде, а в виде смесей с аммиачной селитрой. Такие смеси явля­ются основным типом взрывчатых веществ для горной промышленности.

Аммиачная селитра — белый кристаллический поро­шок, легко поглощающий влагу из воздуха,— получается при соединении азотной кислоты и аммиака и широко при­меняется в качестве основного азотистого удобрения. Аммиак готовится из азота и водорода [20]) и является про­межуточным продуктом при производстве азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха.

Таким образом, исходными продуктами для получения азотной кислоты являются вода и воздух, имеющиеся в неограниченных количествах, и размеры её производства ограничиваются только мощностью заводов. Давно уже стало известно, что аммиачная селитра даже сама по себе способна к взрыву. Это й неудивительно. Ведь в аммиач­ной селитре содержится и водород аммиака и кислород азотной кислоты; при их соединении выделяется достаточ­но тепла и газов, чтобы реакция могла идти со взрывом. Однако сила этого взрыва невелика, так как в аммиачной селитре кислорода содержится значительно больше, чем его нужно для окисления водорода, и часть кислорода при взрыве остаётся неиспользованной. Если к аммиачной се­литре добавить в тонко измельчённом виде какое-либо вещество, содержащее много горючих элементов, напри­мер торфяную муку, муку сосновой коры, муку хлопко­вого жмыха и т. п., то углерод и водород добавленного вещества будут окисляться избыточным кислородом ам­миачной селитры — произойдёт дополнительное выделе­ние тепла и увеличится сила взрыва. Такие взрывчатые вещества — динаммоны — имеют значительное примене­ние в народном хозяйстве, особенно тогда, когда нужно экономить тротил.

За разработку взрывчатых веществ этого типа группа инженеров — В. Н. Краселыцик, Н. Е. Яременко и др.— была удостоена Сталинской премии.

Недостатком смесей аммиачной селитры с невзрыв­чатыми горючими вроде торфа является их малая чувствительность к возбуждению взрыва. По этой причине более целесообразно применять в качестве добавки к се­литре такие вещества, которые не только содержат много горючих элементов, но и сами являются взрывчатыми. Та­ков, например, тот же тротил, в котором кислорода меньше, чем нужно для окисления углерода и водорода.

Смешивая аммиачную селитру с тротилом в соотно­шении 80 : 20, получают порошкообразное взрывчатое ве­щество — амматол 80/20 или аммонит № 6; в нём со­держание кислорода как раз такое, какое необходимо для полного окисления углерода и водорода. Благодаря нали­чию в ней взрывчатого тротила такая смесь легко и на­дёжно взрывается в обычных условиях применения и в то же время достаточно безопасна в обращении.

Эта смесь значительно дешевле, чем тротил; кроме того, её можно применять также для взрывных работ под землёй, для которых тротил не может быть использован, так как он образует при взрыве много ядовитой окиси угле­рода (угарного газа), отравляющей воздух шахты.

Особые и наиболее строгие требования предъявляются к аммонитам, применяемым в угольных шахтах. В этих шахтах, если они сухие, всегда имеется угольная пыль; кроме того, из угля выделяется горючий газ — метан, обра­зующий в определённых соотношениях с воздухом смеси, способные к взрыву. При хорошей вентиляции весь метан, выделяющийся из угля, разбавляется воздухом настолько, что смесь утрачивает способность к взрыву. Можно также предотвратить образование взрывоопасного пылевоздуш - ного облака, увлажняя угольную пыль или покрывая по­верхность выработки слоем негорючей пыли, а также дру­гими способами.

Кроме этого, во взрывоопасных угольных шахтах за­прещается применять обычные аммониты, при взрыве ко­торых образуются газы с высокой температурой, могущие вызвать взрыв метановоздушиой или пылевоздушной смеси. Для взрывных работ в таких шахтах допускается применение только специальных аммонитов, в состав ко­торых входят значительные количества поваренной соли, служащей для понижения температуры газов взрыва и уменьшения их способности возбуждать взрыв метановоз - душных и пылевых смесей.

Применяя все эти меры, наша угольная промышлен­ность добилась резкого повышения уровня безопасности работ в наших шахтах.

За рубежом, особенно в США, где государство не тре­бует от шахтовладельцев принимать меры для предупреж­дения взрывов, техника безопасности стоит на очень низ­ком уровне. Хозяева шахт часто не выполняют самых эле­ментарных требований по обеспечению безопасности ра­боты. Это приводит к тому, что на американских уголь­ных шахтах несчастные случаи с большим числом жертв стали систематическим и массовым явлением. Так, за 13 лет, с 1930 по 1943 год, в угольной промышленности США погибло 24 тысячи горняков, а общее число убитых, раненых и искалеченных составило 250 ООО.

Особенно увеличились несчастные случаи в США за по­следнее время в связи с бешеной подготовкой к третьей мировой войне, проводимой американскими империали­стами. В марте 1947 года на шахте «Сентралия 5» в штате Иллинойс при взрыве погибло 111 горняков, а на шахте «Ориент 2» в Уэст-Франкфорте 21 декабря 1951 года при подземном взрыве газа было погребено 119 рабочих. Быв­ший президент Трумэн вынужден был признать, что причи­ной взрыва было грубое нарушение шахтовладельцами правил техники безопасности.

Всего за первые 10 месяцев 1951 года в угольных шах­тах Америки произошло свыше 25 тысяч несчастных случаев с рабочими.

Очень тяжёлые последствия имеют взрывы газа или пыли с воздухом. Такие взрывы нередко принимают ката­строфический характер. На одной из шахт Франции взрыв угольной пыли, возникший от взрывных работ, произво­дившихся без необходимых мер предосторожности, рас­пространился на выработки общим протяжением более 100 километров; при этом погибли 1099 из 1664 горняков, работавших в шахте.

В шахте Гресфорд в Англии в 1934 году взрыв метана и угольной пыли привёл к гибели 263 человек из 269 рабо­тавших в шахте.

Бельгийские газеты в июне 1952 года сообщали о ряде взрывов, происходивших на шахтах вследствие несоблюде­ния техники безопасности. Так, крупная катастрофа прои­зошла на шахте № 25 «Монсо-Фонтен» в Куйэ; в резуль­тате взрыва было убито 10 шахтёров и двое ранено. В заявлении национального комитета профсоюза горня­ков говорилось: «район Шарлеруа снова в трауре в резуль­тате двух катастроф на шахтах, одна из которых на шахте № 25 «Монсо-Фонтен» наиболее ужасна: 12 шахтёров по­платились своей жизнью за дьявольскую погоню шахто­владельцев за прибылью».

12 августа 1952 года взрыв газа произошёл на уголь­ной шахте «Шнейдер» около г. Валансьенна во Франции. Погибло четыре шахтёра и 17 были тяжело ранены.

Мы рассмотрели два способа изготовления взрывчатых веществ: смешение горючих веществ с окислителями и получение химических соединений, в молекулу которых входят атомы горючих элементов и кислорода, или смесей таких соединений. В обоих случаях тепло при взрыве вы­деляется за счёт реакции окисления кислородом углерода и водорода.

Существуют также взрывчатые вещества, при взрыве которых тепло выделяется не за счёт реакции окисления кислородом, а за счёт других реакций.

Например, при определённых условиях можно полу­чить соединение азота с водородом — азотистоводородную кислоту (HN3). Образование этого соединения из азота и водорода сопряжено со значительной затратой энергии — около 1500 больших калорий на килограмм кислоты. Соот­ветственно этому распад азотистоводородной кислоты на азот и водород сопровождается большим выделением тепла и может протекать в форме взрыва.

Сама азотистоводородная кислота — жидкость с низ­кой температурой кипения (37 градусов), очень чувстви­тельная к малейшим воздействиям, крайне опасная в обра­щении и поэтому не может применяться в качестве

Взрывчатого вещества. Практическое значение имеют соединения её с некоторыми металлами, в первую очередь свинцовая соль азотистоводородной кислоты — азид свин­ца, который является очень эффективным инициирующим взрывчатым веществом.

Более 20 лет назад проф. Солонина и инженер Влади­миров разработали и внедрили в производство безопасный способ изготовления азида свинца и снаряжения им кап­сюлей-детонаторов.

Реакция взрыва азида свинца представляет собой рас­пад молекулы азида, состоящей из атома свинца и шести атомов азота, на свинец и азот и сопровождается так же, как и в случае распада азотистоводородной кислоты, зна­чительным выделением тепла.

Таким образом, реакция взрыва может быть основана также на распаде химического соединения на элементы, если этот распад идёт со значительным выделением тепла.

Наконец, возможны и комбинированные случаи, когда наряду с распадом на элементы происходят и реакции окисления кислородом, содержащимся в молекуле того же соединения или в молекулах других составных частей взрывчатого вещества.

Технические способы изготовления того или иного взрывчатого вещества определяются в соответствии с его типом и составом. При изготовлении взрывчатых смесей — это тонкое измельчение твёрдых составных частей и после­дующее их тщательное смешение. При изготовлении взрыв­чатых химических соединений — это различные химические процессы, основным из которых является обработка азот­ной кислотой (обычно в смеси с серной) различных органических соединений (углеводородов, спиртов, угле­водов и др.).

6. ПРИМЕНЕНИЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Етий год американо-английские империалисты ведут агрессивную войну в Корее. Более семи лет француз­ские колонизаторы продолжают разбойничью войну во Вьетнаме, которую французский народ справедливо назвал «грязной войной». На беззащитное население мирных го­
родов и деревень современные людоеды обрушивают сотни тонн бомб и артиллерийских снарядов.

Страшная весть о новом злодеянии американских им­периалистов облетела весь мир летом 1950 года, когда ста­ло известно, что оккупанты заложили систему зарядов взрывчатых веществ в долине реки Рейна вблизи скалы Лорелеи; взрыв этих зарядов должен закрыть путь воде и вызвать на огромных пространствах в верхней части Рейн­ского бассейна наводнение, грозящее жизни миллионов людей.

Английские пираты превратили немецкий остров Гель­голанд в объект для варварской прицельной бомбарди­ровки с воздуха.

Так империалистический лагерь во главе с США использует взрывчатые вещества не только для продол­жения грязных грабительских войн и массового уничтоже­ния мирного населения, но и для развязывания новой войны, направленной в первую очередь против СССР и стран народной демократии.

В противоположность такому использованию взрыв­чатых веществ, в нашей стране, а также в странах народ­ной демократии взрывчатые вещества широко исполь­зуются в огромном мирном строительстве, направленном на благо людей, на создание изобилия культурных и ма­териальных ценностей.

Самый старый и основной потребитель взрывчатых ве­ществ в нашем народном хозяйстве — это горная промыш­ленность. При добыче полезных ископаемых их прихо­дится отделять от массива в виде кусков таких размеров, которые удобны для погрузки и перевозки, а также для последующей обработки.

До XVII века эта работа производилась без помощи взрывчатых веществ. Рисунок 11, взятый из руководства по металлургии XVI века, показывает, как велась добыча руды 400 лет назад. В шахте разводился костер, который разогревал породу. Нагрев и последующее охлаждение вызывали образование трещин, которые и облегчали отде­ление кусков руды. Это была крайне непроизводительная, тяжёлая работа.

В настоящее время только добыча очень мягких пород, например песка или глины, производится без примене­ния взрывчатых веществ, с помощью экскаваторов, скре­перов и других машин. Сравнительно слабые породы, например некоторые виды каменного угля, можно отде­лять от пласта при помощи отбойного молотка. Разра­ботка более крепких пород требует уже более сильные

Рис. 11. Горные работы в XVI веке. (Из книги Агриколы «О полу­чении металлов», 1556 г.)

Воздействия, которые и получают при помощи взрывча­тых веществ.

Применение взрывного метода резко снижает трудоём­кость горных работ. На выломке каменной глыбы для Александровской колонны, установленной в своё время В Петербурге, работа производилась полностью ручным способом; этим делом было занято в течение двух лет 600 человек. Объём колонны в необработанном виде со­ставлял 700 кубических метров. Всего было затрачено 160.000 человекодней, или 228 человекодней на каждый кубический метр породы. При самых же несовершенных способах взрывания затрата труда составляет лишь 0,4 человекодня на кубический метр, а при современных способах она мюжет быть снижена до 0,008 человекодня.

Способы ведения взрывных работ разнообразны. Про­стейший из них — способ накладных зарядов. Как пока­зывает само название, при этом способе заряд взрывча­того вещества просто накладывают на объект, который

Огнепроводный шнур Взрывчатое Вещество J^

Рис. 12. Накладной заряд.

Должен быть разрушен, например на валун (рис. 12), или закрепляют на нём сбоку. Способ накладных зарядов хо­рош тем, что не требует много времени для проведения взрыва. Основной же его недостаток заключается в очень большом расходе взрывчатого вещества; на кубометр раз­рушаемой породы его идёт в 10—15 раз больше, чем при других способах, при которых заряд взрывчатого веще­ства помещается внутри разрушаемого объекта.

Малая эффективность этого способа обусловливается тем, что только в начальный момент газы взрыва произво­дят сильное давление на объект, а затем вследствие рас­ширения газов давление резко падает. Чтобы затруднить и замедлить это падение давления, на заряд обычно поме­щают так называемую забойку в виде куска сырой глины или другого материала (рис. 13); основное назначение её — задержать расширение газов взрыва и усилить таким образом их разрушительное действие.

При промышленных взрывных работах способ наклад­ных зарядов применяют для дробления валунов при очистке от них полей и при дроблении слишком больших кусков породы, которые иногда могут получаться при её добыче другими взрывными способами.

Рис. 13. Накладной заряд с забойкой.

Наиболее распространёнными являются способы, при которых в массиве делают углубление, заканчивающееся в том месте, где должен быть расположен заряд взрывча­того вещества. После помещения заряда свободную часть углубления — она должна быть не меньше одной трети его длины — заполняют песком, глиной и т. п., преграж­дая газам взрыва выход наружу. Таким образом, взрыв происходит в замкнутом пространстве, и действие его от этого сильно возрастает.

Форма и размеры углубления могут быть различными. Так, например, при шпуровом способе (рис. 14) углубле­ние имеет цилиндрическую форму, диаметр его составляет 30—50 миллиметров, а длина доходит до 5 метров.

Шпуровой способ широко применяется при проведении подземных подготовительных работ и для откалывания до­бываемой породы, особенно в тех случаях, когда мощность пластов незначительна.

Однако этот способ, который до недавнего времени был единственным способом ведения промышленных взрывных работ, мало экономичен, так как требует большой затраты труда и средств на бурение шпуров.

Патроны взрывчатого Вещества Капсюль-детонатор ш Рис. 14. Шпур с зарядом взрывчатого вещества.

Более совершенным в этом отношении является спо­соб котловых зарядов (рис. 15). В донной части обычного шпура путём одного или нескольких последовательных взрывов небольших зарядов получают расширение, назы­ваемое котлом. Котёл и часть шпура заполняют взрывча­тым веществом; в остальном выполнение работы такое же, как и при обычном шпуровом способе.

При таком способе затрата труда на бурение во много раз сокращается, особенно при шпурах большой (до 9 метров) глубины. Потребность в рабочих-бурилыци - ках на одном из карьеров при переходе от шпурового способа к способу котловых зарядов сократилась в во - семь-девять раз.

Примером успешного применения способа котловых зарядов может служить опыт бригады стахановцев-взрыв­ников П. Орлова, работающих на карьере цементного за­вода «Гигант» под Москвой. Этот карьер даёт ежегодно

Свыше миллиона тонн взрыхлённой взрыванием породы, идущей на производство цемента.

Стахановцы учли особенности формы котла, который получается в данной породе, и предложили новый способ его заряжания — с помощью сжатого воздуха; этот способ обеспечивает заполнение всего объёма котла взрывчатым веществом. Учёт особенностей каждого уступа и пород,

/ 2 3 4 5

/ ( /

Рис. 15. Способ котловых зарядов.

Слагающих карьер, точный замер шпуров и котла, тща­тельность выполнения всех операций обеспечили безава­рийную высокопроизводительную работу. Бригада систе­матически перевыполняет плановое задание и добивается при этом экономии в расходе взрывчатых веществ.

При работе шпуровым способом обычно взрывают одновременно несколько шпуров. Это даёт наилучшее разрушение горного массива. При этом важное значение имеют правильное расположение шпуров относительно об­нажённой поверхности породы, друг относительно друга, а также последовательность взрывания.

Для обрушения высоких уступов, имеющих отвесные стенки, применяют способ взрывания колонковыми заря­дами (рис. 16). Вдоль края уступа пробуривают ряд вер­тикальных скважин глубиной, несколько превышаю­щей высоту уступа. Заряд помещают в скважине в виде сплошной или прерывистой колонки (отсюда и на­звание способа). Диаметр скважины, выбуриваемой в породе, гораздо больше, чем при шпуровом способе,— до 250 миллиметров; соответственно больше и глубина ка­нала— от 10 до 30 метров. Заряды, как правило, взры­ваются одновременно, обычно электрическим способом.

Проводники от электродетонатора Рис. 16. Способ колонковых зарядов.

При прокладке канала в крепком грунте на Вахшстрое в Таджикистане способ колонковых зарядов дал увеличе­ние производительности труда почти в шесть раз по срав­нению с обычным способом неглубоких: шпуров.

Во взрывном деле применяются также способы массо­вых взрывов, при которых используются очень большие заряды — весом в тонны, десятки и даже сотни тонн. В зависимости от характера производимой взрывом ра­боты различают взрывы на обрушение, на выброс и на сброс.

В первом случае массив породы дробится действием взрыва, обрушивается за счёт собственного веса, подвер­
гаясь при этом дополнительному дроблению, и разме­щается вблизи забоя.

При взрыве на выброс порода выбрасывается за счёт энергии взрыва, и в результате образуется выемка — тран­шея, канал, котлован.

Взрывом на сброс образуют площадки на косогорах и вскрывают пласты полезного ископаемого.

Провода от - злеНтродвтонатора

Рис.

17. Размещение заряда при взрыве на выброс.

При взрыве на обрушение в нижней части массива проходятся горизонтальные штольни, заканчивающиеся

Одной или несколькими камерами. В этих каме­рах размещаются заря­ды взрывчатого веще­ства. После зарядки штольни заполняются забойкой. При взрыве порода в нижней части массива выбрасывается, а верхняя её часть под тяжестью своего веса обрушивается в образо­ванное взрывом про­странство. Этот способ даёт большую эконо­мию в бурении — до 90 процентов — по срав­нению со шпуровым способом.

При взрывах на вы­брос и на сброс приме­няют более сильные за­ряды, чем при взрывах

49

На обрушение. Взрыв здесь должен не только разрушить и раздробить массив, но и выбросить раздроблённую по­роду с достаточной скоростью, так, чтобы она двигалась расходящимся снопом и была бы поэтому разбросана в стороны от места расположения заряда. Для помещения зарядов при взрыве на выброс проходятся вертикальные углубления — шурфы, от которых отводят горизонтальные штольни, заканчивающиеся камерами для расположения зарядов (рис. 17). При одиночном заряде взрыв образует

4 К. К. Андреев
воронку (рис. 18), а при одновременном подрыве ряда зарядов — траншею. Выброшенный грунт образует гребни по её бокам.

Наибольшие в мире по масштабам и эффективности массовые взрывы были проведены в нашей стране в годы сталинских пятилеток.

При одном из крупнейших взрывов, произведённом на Урале близ Кор кино 16 июля 1936 года по проекту и под руководством инженеров Папоротского и Селевцева,

Было взорвано одновременно 1808 тонн взрывчатых ве­ществ. Взрыв должен был сбросить породу, закрывавшую залежи угля, чтобы дальнейшую разработку месторожде­ния можно было вести открытым способом. В том месте, где было намечено произвести взрыв, мощный пласт бу­рого угля залегал на глубине около 20 метров. Было зало­жено 36 зарядов на глубину от 13 до 18 метров и на рас­стоянии до 30 метров друг от друга. Для закладки зарядов были вырыты колодцы, от которых на определённой глу­бине отводили короткую горизонтальную галлерею, закан­чивавшуюся зарядной камерой. Одновременный взрыв всех зарядов осуществлялся электрическим способом.

Точно в 12 часов по сигналу радиостанции г. Сверд­ловска был включён рубильник взрывной сети. На фронте 900 метров мгновенно выросла стена земли (рис. 19). Вслед за тем с огромной силой вырвались взрывные газы, увлекая с собой размельчённый грунт. Через 3—4 секунды газовое и пыльное облако заняло площадь до 2 квадрат­ных километров и двинулось по ветру. Высота его состав­ляла около 400 метров. Высота выброса грунта доходила

Рис. 19. Взрыв близ Коркино (Урал).

До 625 метров. Гигантское надвигавшееся облако, окра­шенное образовавшимися при взрыве окислами азота в красно-бурый цвет, при ярком солнечном освещении пред­ставляло фантастическое и грозное зрелище.

51

Разрушительное действие воздушной взрывной волны, несмотря на большую величину заряда, было сравни­тельно незначительным. Так бывает всегда, если пра­вильно рассчитан и заложен заряд; в этом случае основ­ная часть энергии взрыва используется на совершение полезной работы. Кирпичные и деревянные строения, на-

4*
Ходившиеся на расстоянии 350—400 метров, не были повреждены. Разброс грунта не превышал 450 метров.

Чтобы точнее определить границы разрушительного действия воздушной волны на различных расстояниях, были установлены деревянные щиты. На расстоянии до 500 метров с одной стороны и до 700 метров с другой щиты были опрокинуты.

Сотрясение грунта было весьма значительное. Люди, стоявшие от места взрыва на расстоянии 1250 метров, рас­сказывали, что столбы электросети закачались, как де­ревья при сильном ветре.

Колебания почвы были зарегистрированы сейсмиче­скими станциями Свердловска, Москвы и Пулкова.

Взрывом в Коркино была образована траншея дли­ной 900 метров, шириной 85 метров и глубиной до 20 метров. Было выброшено 800 000 кубических метров грунта.

При таких больших взрывах очень важно знать зоны разрушений, которые возникают в районе взрыва под дей­ствием ударных волн, распространяющихся и в воздухе и в земле. Методы расчёта этих зон были разработаны М. А. Садовским, М. Н. Косачёвым и С. В. Медведевым, удостоенными за эту работу Сталинской премии за 1948 год.

Большой массовый взрыв был проведён по проекту и под руководством инженеров Богородского и Татарникова в 1949 году на строительстве одной электростанции. Для её водоснабжения нужно было соорудить канал объёмом около 240 000 кубических метров. Выполнение работы при помощи двух имевшихся на строительстве экскаваторов потребовало бы полутора-двух лет. Взрыв­ным способом канал был построен в течение пяти месяцев.

При массовых взрывах иногда бывает целесообразно получить направленный преимущественно в какую-либо одну сторону выброс подрываемой породы. В таких слу­чаях применяют направленный взрыв. Закладываются два ряда зарядов; первый ряд состоит из более слабых зарядов; при взрыве они дробят и подбрасывают вверх прилегающую массу грунта. Одной—тремя секундами позже взрывают второй ряд более сильных зарядов.

Действием этого взрыва грунт, поднятый в воздух взры­вом первого ряда, отбрасывается в какую-нибудь одну сторону.

Самый большой направленный взрыв был произведён для вскрытия Ирша-Бородинского угольного месторожде­ния в 160 километрах от г. Красноярска. Взрывом, произ­ведённым в четыре приёма, была образована выемка глу­биной около 20 метров, длиной 400 метров и шириной поверху от 85 до 125 метров. Было израсходовано 1860 тонн взрывчатых веществ. Всего при взрывах было выброшено 391 000 кубических метров породы. При этом на один борт выемки было выброшено 60, а на другой — 40 процентов породы.

В последние годы массовые взрывы были применены для новой цели — для мгновенного преграждения рек. Для этого выбирают участок реки с одним или двумя обрывистыми берегами, что обычно бывает в местах по­ворота русла. В крутом берегу устраивают камеры для зарядов взрывчатого вещества. При взрыве породы берега ложатся на дно реки, образуя достаточно плотную пере­мычку, способную выдержать напор воды.

Такие взрывы применяются главным образом для по­лучения временных перемычек, необходимых, например, при сооружении плотин.

Вот как удалось обуздать разбушевавшуюся реку, используя массовый взрыв.

Весенний паводок на реке Ангрен в Узбекистане в 1948 году был очень бурным; количество воды было в несколько раз больше, чем обычно. Мощный поток воды хлынул в прилегающие арыки и овраги, переполняя их и вызывая обрушение берегов. В одном из ущелий глубиной до 25 метров обрушился правый берег арыка и перекрыл русло, преградив путь воде. Вода стала накапливаться у дамбы. Меры, принятые для наращивания дамбы, оказа­лись недостаточными. Уровень воды стремительно повы­шался, и скоро объём её у дамбы достиг 12 миллионов кубических метров. Вода угрожала затопить много селе­ний л обширные посевы ценных культур. Катастрофа была предотвращена при помощи взрыва. Выше по течению было выбрано место, наиболее благоприятное для созда­ния перемычки: крутой берег в месте изгиба русла. В этом берегу заложили 12 зарядов общим весом в 50 тонн. Взрыв перекрыл русло потока и остановил наступление воды.

Вблизи г. Намангана, в Средней Азии, река Кассан-сай часть своего пути течёт по глубокому ущелью. Стоило только запрудить реку — и более подходящее место для водохранилища трудно найти. Но как это сделать быстро и дёшево? Обратились к взрывникам. В узком месте ущелья было заложено 400 тонн взрывчатого вещества. Взрыв обрушил землю в реку на подготовленное заранее место, и она надёжно преградила русло. Так было образовано водохранилище ёмкостью в 50 миллионов кубических метров.

Мы описали только одну из многих областей примене­ния взрывчатых веществ в народном хозяйстве нашей страны — для откола, дробления и выброса породы. Но этим далеко не ограничивается их применение.

Взрывчатые вещества широко используются в дорож­ном и ирригационном строительстве. С их помощью, на­пример, прокладывают дороги через болота, где жидкий грунт не выдерживает тяжести черпательных машин. Кроме того, выемка в таких местах быстро заплывала бы жидкой болотистой массой.

Работу начинают с разрыхления взрывами верхнего растительного покрова болота. Затем на разрыхлённую трассу дороги укладывают плотный грунт, образующий насыпь. Под собственной тяжестью насыпь медленно опускается в болотистую почву, но не доходит до дна. При определённой глубине погружения под насыпь под­водят заряды взрывчатого вещества. Взрыв вытесняет болотистую массу из-под насыпи, и она опускается на плотное дно болота. После этого насыпь увеличивают и производят дополнительное взрывание зарядов по бокам её (рис. 20). Этим болотистая масса вторично вытесняется по обе стороны полотна и его основание принимает более широкую, устойчивую форму.

В торфяной промышленности применение взрывчатых веществ даёт возможность значительно увеличивать до­бычу этого топлива.

Оттаивание торфяного массива начинается обычно В начале апреля, но протекает очень медленно. Даже в Московской области оно затягивается до середины июня. Мерзлота резко снижает производительность раз­мывания торфа гидромониторами[21]), и самый лучший для добычи торфа весенний период не используется в полной мере.

С помощью взрывчатых веществ дробят смёрзшийся торф на куски. Такие куски оттаивают за 2—3 дня вместо 2—27г месяцев.

В нефтяной промышленности взрывчатыми веществами производят так называемое торпедирование нефтяных

Рис. 20. Прокладка взрывным способом дороги через болото.

Скважин, переставших давать нефть. После подрыва за­ряда взрывчатого вещества на дне скважины она вновь начинает давать нефть. Таким путём возвращён в строй не один десяток, казалось, уже выработанных нефтяных скважин.

В последнее время взрывчатые вещества стали приме­нять для открытия новых месторождений нефти и других полезных ископаемых.

Как это производится?

Заряд помещается на небольшой глубине в земле. Его взрыв вызывает в ней распространение волн на­подобие тех, которые возникают при землетрясениях. Встречая на своём пути слои различных пород или жидкостей, волны отражаются от каждого из них по - разному. Отражённые волны, возвращающиеся на по­верхность земли, записываются чувствительными при­борами. По характеру этих записей и можно судить о том, есть ли в районе взрыва месторождения полезных ископаемых.

В металлургической промышленности к взрывчатым веществам прибегают в тех случаях, когда в доменных печах образуются «козлы» — глыбы застывшего металла, что бывает при нарушении нормальной работы печи. В ещё горячем металле бурят углубления; в них помещают и взрывают один за другим маленькие заряды взрывча­того вещества. Заряды берут такой величины, чтобы их взрывы были достаточно сильны для откола кусков ме­талла, но не повреждали печи.

Разрушение каменных строений, которые требуется иногда сносить при реконструкции городов, быстро и без­опасно производится также взрывным способом. Опыт таких работ показывает, что при правильном расчёте и размещении зарядов никаких повреждений соседних зда­ний и разлёта осколков не бывает. Звук взрыва, который производился обычно ночью (чтобы не мешать днём боль­шому уличному движению), был глухим и нерезким; часто жители близлежащих домов, просыпаясь утром, с удивле­нием обнаруживали, что одного из зданий по соседству нет.

Недавно взрывчатые вещества получили новое приме­нение в промышленности — для клёпки взрывным спосо­бом. Особое значение этот способ имеет в авиационной промышленности. При постройке современного тяжёлого бомбардировщика приходится устанавливать около мил­лиона заклёпок. Легко себе представить, сколько труда затрачивается на это при обычном способе клёпки! При взрывном способе в цилиндрическом конце заклёпки устраивается небольшой канал, в котором помещается маленький заряд специального взрывчатого вещества.

После того как заклёпка вставлена на место в склёпывае­мых листах, к головке её прикладывают нагретый метал­лический стержень. Стержень разогревает заклёпку, и происходит взрыв заряда. Цилиндрический конец заклёпки расширяется, и заклёпка оказывается прочно закреплён­ной (рис. 21).

Металл Рис. 21. Клёпка взрывным способом.

Взрывной способ применяется и в сельском хозяй­стве.

Известно, какую тяжёлую и трудоёмкую работу пред­ставляет корчёвка пней, когда она производится вручную. При взрывной корчёвке в почве у пня бурят углубление так, чтобы конец его оказался под пнём (рис. 22). В это углубление вводят заряд взрывчатого вещества и свобод­ную часть углубления плотно засыпают землёй. Взрыв не только вырывает пень из земли, но и в той или иной сте­пени расщепляет его, облегчая последующее использова­ние пня. Корчёвка пней обычно производится не только для расчистки площадей лесосек, но и для использования получаемой древесины как топлива или как сырья для лесохимической промышленности.

При очистке дна Цимлянского моря нужно было выкор­чевать громадное количество пней; некоторые из них были толщиной до 3 метров. Вырвать такие огромные пни из земли не могли самые мощные тракторы. Для корчёвки были применены взрывчатые вещества, и сто пятьдесят тысяч пней за короткое время было удалено со дна буду­щего моря.

В горных районах при помощи взрывчатых веществ производят подготовку почвы под сады и виноградники. Взрывным способом быстро вырывают ямки для посадки деревьев; при этом рост деревьев, посаженных взрывным

Рис. 22. Корчёвка пней взрывным способом.

Способом, идёт быстрее, так как взрыв разрыхляет почву и, кроме того, некоторые продукты взрыва могут оказы­вать полезное влияние на рост дерева, действуя как удобрение.

Взрывным способом быстро роют канавы для ороше­ния полей и осушки болот. Осушку болот можно произво­дить также путём пробивания взрывом водонепроницае­мого слоя, задерживающего сток грунтовых вод.

Интересно применение взрывчатых веществ в борьбе с лесными пожарами. Быстрая прокладка широкой просеки лучше всего преграждает путь огню.

При сплаве леса ускоряют взрывным способом задер­жавшийся в верховьях реки ледоход. Теперь даже не ве­рится, что раньше в таких случаях лёд пилили пилами.

С помощью взрывчатых веществ расчищают ледяные заторы и заторы леса при сплаве, а также очищают русла рек от камней, мешающих сплаву.

Взрывчатые вещества оказывают советским людям значительную помощь в освоении Арктики. Они исполь­зуются там для преодоления ледяных полей, преграждаю­щих путь судну, для дробления больших льдин при сжа­тии затёртого во льдах корабля; подушка из мелкого льда, образованная взрывами вокруг корпуса корабля, смягчает напор льдов, делая его более равномерным и поэтому менее опасным для судна.

Так широко могут быть использованы и используются в народном хозяйстве взрывчатые вещества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В

лагере поджигателей войны, возглавляемом импе­риалистами США, развитие науки и техники подчинено усовершенствованию способов убийства чело­века, разработке новых средств массового уничтожения людей. Это полностью относится и к науке о взрывчатых веществах.

Продавшие честь и совесть, многие американские учёные лихорадочно работают над созданием новых, более мощных взрывчатых веществ военного назначения. Про­ходившая недавно конференция секции Американского химического общества целиком была посвящена вопросам усовершенствования и повышения мощности порохов, предназначенных для реактивных снарядов, имеющих исключительно военное применение.

Другим целям служат взрывчатые вещества в нашей стране. Сила взрыва привлекается на помощь советским людям в их мирном созидательном труде.

Взрывчатые вещества сберегают тяжёлый физический труд рабочих, сокращают сроки проведения работ. Они являются одним из самых эффективных средств механи­зации трудоёмких и тяжёлых процессов.

В выполнении предусмотренных директивами XIX съез­да КПСС по пятому пятилетнему плану развития СССР гигантских работ по строительству гидроэлектростан­ций, оросительных систем и каналов, промышленных предприятий, железных и автомобильных дорог, по добыче угля, нефти, торфа и руды, в облегчении труда рабо­чих и повышении его производительности умелое исполь­зование взрывчатых веществ — этих мощных аккумулято­ров энергии — будет играть важную роль.

Перед советской взрывной техникой стоят большие, ещё не решённые задачи.

Одной из таких задач является удешевление взрывча­тых веществ. Дело в том, что в ряде случаев, например для земляных работ, можно применять не только взрыв­чатые вещества, но и различные машины — экскаваторы, скреперы и др. Выбор того или иного способа опреде­ляется тем, какой способ будет более экономичен. Чтобы взрывчатые вещества могли широко заменить машины, они должны быть дёшевы. А для этого надо разработать и внедрить в применение такие взрывчатые вещества, ко­торые состоят из широко доступных, дешёвых составных частей и просты в изготовлении.

Основой наших взрывчатых веществ является аммиач­ная селитра; наряду с ней в состав взрывчатых веществ входят горючие добавки — обычно тротил. Однако изве­стны взрывчатые вещества, содержащие, вместо доро­гого тротила, другие добавки — торф, древесную муку, жмыховую муку, парафин, которые гораздо дешевле тротила.

Усовершенствование и широкое внедрение таких взрывчатых веществ значительно повысило бы экономич­ность и расширило бы применение взрывного способа.

Вполне целесообразно также увеличить применение взрывчатых веществ — оксиликвитов, которые обладают большой мощностью. Жидкий кислород производится нашей промышленностью в больших количествах, а такие горючие добавки, как торф, мох и др., дешёвы и доступны. Правда, оксиликвиты имеют недостатки,— они опаснее аммонитов в обращении, так как легче взрываются от огня и удара, они отличаются непостоянством состава и дей­ствия. Но эти недостатки могут быть устранены или смяг­чены.

В советской стране высоко ценится человек, и одной из главных задач, стоящих перед нашими учёными в лю­бой области техники, а во взрывной технике в осо­бенности, является дальнейшее повышение безопасно­сти работы. Мы уже говорили, что в этом отношении наше взрывное дело стоит на первом месте в мире. В Со­ветском Союзе уже давно не применяются опасные в об­ращении динамиты, которые заменены аммонитами.

В годы Великой Отечественной войны на основе работ Макеевского научно-исследовательского института по безопасности горных работ в угольную промышленность были внедрены новые виды взрывчатых веществ (из класса аммонитов), более безопасных при взрывных работах в шахтах, где могут образовываться взрывчатые смеси руд­ничного газа или пыли с воздухом. Однако и такие взрыв­чатые вещества полностью безопасны не при всех усло­виях применения. Кроме того, аммониты вообще сравни­тельно с динамитами обладают пониженным дробящим действием при взрыве. Поэтому задачей наших учёных является повышение взрывного действия аммонитов, а также дальнейшее увеличение безопасности взрывных ра­бот в угольных шахтах.

Исследования советских учёных—академика Н. Н. Се­мёнова, профессоров Ю. Б. Харитона, Я. Б. Зельдовича, А. Ф. Беляева и других в области теории горения и взрыва открывают новые пути в решении перечисленных задач, и нет сомнения, что эти задачи будут успешно и быстро решены советской наукой и техникой.

Применение взрывного способа основано на действии огромного давления газов, образующихся при взрыве. Это действие направлено практически одинаково во все сто­роны. Однако в большинстве случаев нужным, полезным является только действие в некоторых направлениях. Например, при взрыве на выброс непосредственно полез­ными являются только подъём грунта на небольшую вы­соту и боковое его перемещение, что составляет очень небольшую часть всей работы взрыва. Поэтому мысль исследователей работает над проблемой направленного взрыва, над тем, чтобы заставить взрыв действовать пре­имущественно в определённом направлении и повысить тем самым его коэфициент полезного действия. Приме­ром успешного решения этой задачи является использо­вание кумулятивного эффекта в бронебойных боеприпа­сах. Однако кумулятивный эффект применён только в военной технике и для промышленных взрывных работ реального значения пока не имеет. Но этим эффектом не

Исчерпываются возможности направленного взрыва. Мы видели, что советские инженеры успешно осваивают спо­соб массовых взрывов с направленным в нужную сторону выбросом. Несомненно, что это только первые шаги на пути к управлению взрывом, к повышению использования его действия.

Напряжённая творческая работа, которую ведут со­ветские учёные и изобретатели в области производства и применения взрывчатых веществ, открывает новые, ещё более широкие перспективы использования энергии взрыва в народном хозяйстве нашей страны, уверенно идущей к построению коммунизма.

ЧТО ЧИТАТЬ О ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВАХ И ИХ ПРИМЕНЕНИИ ДЛЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

1. Проф. А. Г, Горст, Пороха и взрывчатые вещества, Государственное издательство оборонной промышленности, Москва, 1949.

2. Акад. Н. Н. Семёнов, Горение и взрыв, Государственное изда­

Тельство детской литературы, Москва — Ленинград, 1945.

3. Н. А. Соколов, Курс теории взрывчатых веществ, Госгориздат, 1933.

4. Г. П. Демидюк, Взрывные работы, ОНТИ, 1937.

СОДЕРЖАНИЕ

TOC o "1-3" h z Введение........................................................................................ 3

1. Взрыв и горение............................................................................... 5

2. Три класса взрывчатых веществ............................................... 11

3. Устойчивость горения взрывчатых веществ................................. 23

4. Мощность взрыва.......................................................................... 26

5. Состав и изготовление взрывчатых веществ................................. 32

6. Применение взрывчатых веществ в народном хозяйстве 41

Заключение......................................................................................... 59

Что читать о взрывчатых веществах и их применении

Для взрывных работ...................................................................... 63

Цена 90 коп.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

Вып. 20. Проф. Б. Б. КУДРЯВЦЕВ. Движение молекул. Вып. 21. Г. Н. БЕРМАН. Счёт и число. Вып. 22. О. А. РЕУТОВ. Органический синтез. Вып. 23. К. А. ГЛАДКОВ. Дальновидение. Вып. 24. Н. Г. НОВИКОВА. «Необыкновенные» небесные явления.

Вып. 25. Н. В. КОЛОБКОВ. Грозы и бури.

Вып. 26. А. И. ПОГУМИРСКИИ и Б. П. КАВЕРИН.

Производственный чертёж. Вып. 27. Проф. Р. В. КУНИЦКИЙ. День и ночь. Време­на года.

Вып. 28. Е. В. БОЛДАКОВ. Жизнь рек. Вып. 29. А. В. КАРМИШИН. Ветер и его использование. Вып. 30. Г. А. ЗИСМАН. Мир атома. Вып. 31. В. С. СУХОРУКИХ. Микроскоп и телескоп. Вып. 32. Н. В. ГНЕДКОВ. Воздух и его применение. Вып. 33. А. Н. НЕСМЕЯНОВ. Меченые атомы. Вып. 34. В. Д. ОХОТНИКОВ. В мире застывших звуков. Вып. 35. С. Г. СУВОРОВ. О „чём говорит луч света. Вып. 36. Г. В. БЯЛОБЖЕСКИИ. Снег и лёд. Вып. 37. М. С. ТУКАЧИНСКИЙ. Как считают машины. Вып. 38. С. Д.КЛЕМЕНТЬЕВ. Управление на расстоянии. Вып. 39. Л. К. БАЕВ и М. А. МЕРКУЛОВ. Самолёт-ра - кета.

Вып. 40. Д. О. СЛАВИН. Свойства металлов. Вып. 41. Проф. В - П. ЗЕНКОВИЧ. Морской берег. Вып. 42. Проф. С. Р. РАФИКОВ. Пластмассы. Вып. 43. В. А. ПАРФЁНОВ. Крылатый металл. Вып. 44. В. А. МЕЗЕНЦЕВ. Электрический глаз. Вып. 45. Б. Н. СУСЛОВ. Вода.

Вып. 46. И. А. ВАСИЛЬКОВ и М. 3. ЦЕИТЛИН. Кладовые Солнца.

Вып. 47. С. Д. КЛЕМЕНТЬЕВ. Электронный микроскоп. Вып. 48. Э. И. АДИРОВИЧ. Электрический ток. Вып. 49. В. В. ГЛУХОВ и С. Д. КЛЕМЕНТЬЕВ. Техни­ка на стройках коммунизма. Вып. 50. Ф. И. ЧЕСТНОВ. Радиолокация. Вып. 51. Проф. К. К. АНДРЕЕВ. Взрыв.

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

ВЫПУСК 76

Л. К. БАЕВ

ВЕРТОЛЁТ

Под редакцией кандидата технических наук С. Я. СТРИЖЕВСКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ МОСКВА 1954

16-2-1

JI. К. Баев. Вертолёт.

Редактор Д. А. Катренко. Техн. редактор Я. Л. Тумаркина. Корректор С. Н. Емельянова.

Сдано в набор 14/Х 1954 г. Подписано к печати 20/XI 1954 г. Бумага 84 X 108 ,зг. Физ. иеч. л. 1,75. Условн. печ. л. 2,87. Уч.-изд. л. 2,82. Тираж 100 000 экз. Т-08441. Цена 85 коп. Заказ № 1877.

Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва, В-71, Б. Калужская, 15.

Министерство культуры СССР. Главное управление полиграфической промышленности. Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова. Москва, Ж-54, Валовая, 28.

ВВЕДЕНИЕ

Т

Рудно представить нашу жизнь без авиации. Совре­менные скоростные самолёты позволяют быстро пере­брасывать на большие расстояния людей, различные важ­ные грузы, скоропортящиеся продукты и т. д. Но практика выдвигает ряд задач, которые не могут быть выполнены с помощью только этих воздушных машин.

Самолёт — скоростная машина. Большая скорость — его неотъемлемое качество. В отличие от аэростатов он не способен, прервав своё стремительное движение, «повис­нуть» неподвижно над землёй. Чтобы взлететь, самолёт должен совершить разбег длиной в несколько сот метров.

Однако во многих отраслях народного хозяйства нужна такая летательная машина, которая способна взле­тать и приземляться без пробега, летать с небольшой ско­ростью и даже останавливаться, «повисать» в воздухе на различной высоте над землёй. Такая машина незаменима, например, для связи с труднодоступными горными райо­нами, где самолёт не может ни приземлиться, ни взлететь. Раньше её называли геликоптёром (в переводе на русский язык «геликс» означает винт, «птерон» — крыло). Те­перь эту винтокрылую машину называют вертолётом.

Что за машина — вертолёт, как и почему она летает, где применяется?

Об этом и рассказывается в нашей книжке.

1. ИЗ ИСТОРИИ ВЕРТОЛЁТА

И

Дея вертолёта — едва ли не самая древняя в истории полётов на аппаратах тяжелее воздуха. Об этом сви­детельствуют, например, относящиеся к концу XV века рисунки гениального итальянского учёного Леонардо да

Винчи, изображающие летательный аппарат тяжелее воз­духа с винтом, вращающимся в горизонтальной плоско­сти. Первая реальная, теоретически обоснованная попыт­ка создания винтокрылого летательного аппарата принад­лежит великому русскому учёному М. В. Ломоносову. Ломоносов уделял большое внимание изучению атмо­сферы. Это побудило учёного создать аппарат для подня­тия в воздух изобретённых им самопишущих метеороло­гических [22]) приборов.

В то время (в 50-х годах XVIII столетия) никто, кроме птиц и насекомых, не поднимался в воздух. Ломоносов решительно отказался от слепого подражания полёту птиц. Он пошёл другим путём, оказавшимся единственно пра­вильным. Учёный изобрёл простейшее по конструкции устройство, в котором для создания подъёмной силы было использовано вращение.

4 февраля 1754 года на заседании Петербургской Ака­демии наук М. В. Ломоносов выступил с сообщением об изобретённой им машине, предназначенной для подъёма метеорологических приборов в верхние слои атмосферы. Архивариус Академии записал об этом событии следу­ющее:

«Г-н сов. и проф. Ломоносов собранию представил о машине маленькой, которая бы вверх подымала термо­метры и другие малые инструменты метеорологические и предложил оной же машины рисунок; того ради г-да заседающие оное его представление опробовали и поло­жили канцелярию Академии Наук рапортом просить, чтоб соблаговолено было приказать речённую машину по при­ложенному к сему рисунку для опыта сего изобретения сделать под его г-на автора смотрением...».

Вскоре по чертежам М. В. Ломоносова была построена действующая модель машины. 1 июля 1754 года учёный уже демонстрировал своё- изобретение членам Академии.

«Высокопочтенный советник Ломоносов показал изо­бретённую им машину, называемую им аэродромическою (то-есть воздухобежной),— было записано в протоколе.— Машина подвешивалась на шнуре, протянутом по двум блокам, и удерживалась в равновесии грузиками, подве­шенными с противоположного конца. Как только пружина
заводилась, машина поднималась на высоту и поэтому обещала достижение желаемого действия. Но это дейст­вие, по суждению изобретателя, ещё более увеличится, если будет увеличена сила пружины и если увеличить рас­стояние между той и другой парой крыльев, а коробка, в которой заложена пружина, будет сделана для умень­шения веса из дерева. Об этом он (Ломоносов) обещал позаботиться».

5

В ту пору винт как устройство, пригодное для приве­дения в движение транспортной машины, вообще не был известен. Этот движитель [23]) не использовался тогда и в водном транспорте. Ломоносов первый в истории пред­принял попытку применить винт для обеспечения посту­пательного движения в воздухе летательного аппарата тя­желее воздуха. Описание аппарата говорит о том, что он, глубоко понимая законы сопротивления воздуха, научно обосновал принцип работы вертолёта с несущим винтом. Так, М. В. Ломоносов подчёркивал, что несущий винт изобретённого им вертолёта должен «нажимать», т. е. на­гнетать воздух, отбрасывать его вниз, вследствие чего и возникает тяга несущего винта.

Таким образом, еще 200 лет назад гениальный сын русского народа дал принципиально правильное инже­нерное решение идеи вертолёта. Модель летательного аппарата М. В. Ломоносова — это первый прообраз со­временных вертолётов. Смелые идеи М. В. Ломоносова на многие десятилетия опередили его эпоху. Лишь впослед­ствии, с развитием науки и техники, изобретатели, разра­батывавшие идею вертолёта, смогли построить машину, способную поднять человека в воздух.

Конец прошлого века ознаменовался большим количе­ством теоретических и экспериментальных исследований в области аэродинамики [24]) и, в частности, по воздушным
винтам, проведённых знаменитыми отечественными учё­ными: Н. Е. Жуковским, К. Э. Циолковским, С. А. Чаплы­гиным, А. Ф. Можайским и др.

В первое десятилетие XX века были разработаны и построены лёгкие бензиновые двигатели, способные, раз­вивать достаточную для осуществления полёта мощность.

Появление самолётов оказало серьёзную помощь учё­ным, изобретателям и конструкторам, занятым разреше­нием проблемы вертолёта.

Большое значение для развития конструкции вертолёта имели исследования одного из ближайших учеников Н. Е. Жуковского, ныне академика Б. Н. Юрьева.

В 1908 году Б. Н. Юрьев, тогда ещё студент Москов­ского высшего технического училища, начал разрабаты­вать проект одновинтового вертолёта с рулевым винтом. Для своего вертолёта молодой исследователь предполагал использовать двигатель мощностью 70 л. с. К концу 1909 года Б. Н. Юрьев под руководством Н. Е. Жуков­ского разработал другой проект вертолёта несколько мень­ших размеров с двигателем мощностью 50 л. с. Третий проект вертолёта Б. Н. Юрьеву удалось осуществить в 1912 году. Этот вертолёт имел двигатель мощностью 25— 30 л. с. Общий вес машины без пилота составлял 202,5 килограмма. Этот вертолёт, построенный под руко­водством Б. Н. Юрьева студентами, членами воздухопла­вательного кружка при Московском высшем техническом училище, демонстрировался на Второй международной воздухоплавательной выставке в Москве весной 1912 года.

Б. Н. Юрьев получил на выставке золотую медаль за прекрасную теоретическую разработку проекта и его кон­структивное осуществление. Вскоре состоялись первые испытания вертолёта. К сожалению, после случайной по­ломки важной детали — главного вала винта — экспери­ментальные исследования этого аппарата не были про­должены из-за недостатка средств у изобретателя, а цар­ское правительство на такие дела денег не отпускало.

2. СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОЗДУХА

Ч

Тобы понять, почему и как летает вертолёт, необходимо знать, почему летает самолёт.

Полёт самолёта можно представить как результат дей­ствия трёх сил, приложенных к летательному аппарату.

Рис. 1. Силы, приложенные к летящему самолёту

На рис. 1 показано, какие силы действуют на летящий горизонтально и с постоянной скоростью самолёт. Полёт­ный вес самолёта, или, другими словами, сила тяже­сти, всегда направлен отвесно вниз. Сила тяги обычно более или менее точно совпадает с направлением движе­ния самолёта. Эти две силы при равномерном или, как го­ворят, установив­шемся полёте урав­новешены третьей силой, так называе­мой полной аэроди­намической силой.

Откуда же бе­рутся все эти силы?

Полётный вес са­молёта — это сила притяжения его к центру земли.

Сила тяги — сила, которая толкает са­молёт вперёд, воз­никает у винтового самолёта в результате вращения воздушного винта, приводимого в движение поршне­вым (или турбовинтовым) двигателем; на реактивном са­молёте сила тяги возникает как следствие отдачи (реак­ции) струи, извергающейся из выхлопной трубы (сопла) со скоростью, значительно превышающей скорость по­лёта [25]).

Полная аэродинамическая сила — результат воздей­ствия на самолёт воздуха.

Движется ли тело в воздухе, находящемся в покое, или, наоборот, перемещается воздух, а тело неподвижно,— в обоих случаях возникает полная аэродинамическая сила, которая действует на тело. Поясним это примером.

Из повседневного опыта мы знаем, что чем значитель­нее скорость ветра, тем больше его сила. Тихий ветер, дующий со скоростью около двух метров в секунду, лишь слегка отклоняет уходящую вверх струю дыма. А ветер, имеющий скорость 15 метров в секунду, уже сильно качает деревья, мешает человеку итти. Это и есть
проявление действия полной аэродинамической силы, воз­никающей на обдуваемых ветром предметах. Не случайно часто вместо «скорость ветра» говорят «сила ветра».

О ветре и его силе мы говорим нередко и в тех случаях, когда никакого ветра нет, т. е. когда воздух по отноше­нию к земле не перемещается. Так, например, если даже в совершенно тихую погоду вы быстро едете в открытой автомашине, то ветер с силой дует вам в лицо.

Полная аэродинамическая сила всегда появляется одновременно с началом перемещения тела относительно воздуха. Если движущееся тело имеет симметричную фор­му и его ось симметрии направлена по потоку, то и полная аэродинамическая сила будет направлена по потоку, в «лоб» телу. При движении несимметричного тела или тела, ось которого не совпадает с направлением потока, полная аэродинамическая сила будет наклонена к потоку под не­которым углом. В этом случае полную аэродинамическую силу удобно разложить на две составляющие. Одна из них, называемая лобовым сопротивлением, направлена в сторону, противоположную полёту, другая,— называемая подъемной силой, перпендикулярна направлению скоро­сти полёта.

С явлением лобового сопротивления — силой сопротив­ления тела, препятствующей его движению в воздухе, мы сталкиваемся на каждом шагу. Высуньте, например, руку из открытого окна вагона быстро мчащегося поезда, и вы сразу почувствуете силовое воздействие набегающего воз­душного потока.

Примером проявления действия полной аэродинамиче­ской силы может служить также затяжной прыжок с па­рашютом.

Оторвавшись от самолёта, парашютист некоторое вре­мя падает свободно, не раскрывая парашюта, т. е. дви­жется только под действием силы тяжести. Известно, что скорость свободного падения тела непрерывно увеличи­вается. Однако возрастает она не беспредельно. Установ­лено, что при падении парашютиста с нераскрытым пара­шютом ускорение продолжается до одиннадцатой секунды, а затем скорость остаётся постоянной. Например, если па­рашютист покинул самолёт на высоте полутора-двух ки­лометров, то спустя секунду скорость падения составит почти 10 метров в секунду, а в конце третьей секунды — 27 метров в секунду. На одиннадцатой секунде она достиг­нет примерно 50 метров в секунду и увеличиваться больше не будет. К этому времени парашютист пролетит пример­но 380 метров. Скорость свободного падения парашютиста ограничена потому, что на него одновременно действуют две силы. Одна сила, заставляющая парашютиста со всё возрастающей скоростью двигаться по направлению к зем­ле — сила тяжести, его собственный вес. Другая сила — сопротивление воздуха его движению. С увеличением ско­рости падения сила воздушного сопротивления быстро ра­стёт и будет тем значительнее, чем больше будет скорость падения. На одиннадцатой секунде сила сопротивления воздуха достигает величины веса парашютиста и скорость его падения становится постоянной. Дальнейшее движе­ние парашютиста происходит уже не под влиянием его собственного веса (потому что он как бы уравновеши­вается силой сопротивления воздуха), а по инерции.

Но вот над свободно падающим человеком раскры­вается парашют. Парашютист испытывает резкий толчок, потому что скорость спуска сразу уменьшается примерно в десять раз. Раскрытый парашют сильно тормозится воздухом. Теперь парашютист совершает плавный спуск.

Как видим, полная аэродинамическая сила оказывает сопротивление движущемуся в воздухе телу, стремится помешать его движению. Откуда же берётся эта сила?

Сопротивление воздуха вызывается двумя причинами. Одна из причин — разность давлений впереди и позади движущегося тела. Набегающий поток создаёт впереди повышенное давление, а позади разрежение. В результате и появляется та часть лобового сопротивления тела, кото­рая называется сопротивлением давления. То же самое происходит, если неподвижное тело обдувается воздуш­ным потоком. Другая причина сопротивления — это тре­ние поверхности тела об обтекающий его воздух. Из фи­зики нам известно, что характер движения газа (воздуха) существенно отличается от характера движения твёрдого тела. При перемещении массы воздуха скорость движения его частиц неодинакова в различных слоях. Отдельные слои, движущиеся с различной скоростью, как бы скользят один по другому. При этом они воздействуют друг на друга с силой, которую называют силой внутреннего тре­ния или силой вязкости. Вязкость воздуха по сравнению с вязкостью жидкостей является ничтожной, но именно она - то и порождает ту часть лобового сопротивления, испыты­ваемого движущимся телом, которая называется сопро­тивлением трения.

За поверхность движущегося тела задевают, об неё «трутся» частицы воздуха, подобно тому как трутся о лыжи частицы снега. Тело увлекает за собой прилипаю­щие к его поверхности частицы воздуха, а они в свою оче­редь вследствие вязкости увлекают частицы соседних, близлежащих слоёв. Таким образом, телу приходится пре­одолевать силы взаимного сцепления частиц воздуха, ко­торые препятствуют движению тела. На это оно затрачи­вает некоторое количество своей энергии.

Опытом установлено, что лобовое сопротивление дви­жущегося тела зависит от трёх факторов: от величины по­верхности тела, обращённой в сторону движения, от ско­рости движения тела и от его формы (при одинаковом поперечном сечении). Именно об этом говорит закон лобо­вого сопротивления тела, движущегося в воздухе. Со­гласно этому закону эта сила прямо пропорциональна пло­щади наибольшего поперечного сечения тела и квадрату скорости тела и зависит от формы тела [26]).

Попробуйте удержать при сильном ветре кусок кар­тона, обращённый плоскостью в сторону ветра. Чем силь­нее ветер и чем больше площадь картона, тем труднее удержать картон. Но поверните его ребром, и вы сразу по­чувствуете, что сопротивление стало во много раз меньше.

Опыт показывает, что предметы, имеющие плавно очер­ченные контуры, при движении испытывают меньшее со­противление, чем тела шероховатые и угловатые. Это по­нятно. Ведь такие предметы, перемещаясь, значительно меньше возмущают окружающую их среду, чем предметы угловатые, с неровной поверхностью. Поэтому все совре­менные средства скоростного транспорта — самолёты, легковые автомашины, глиссеры и др.— имеют округлые, плавные очертания.

Тело, которое по сравнению с другими испытывает наи­меньшее сопротивление (при одинаковом поперечном се­чении), называют удобообтекаемым. Установлено, что наименьшее сопротивление имеет тело в форме вытянутой капли. При движении такого тела позади него почти нет вихрей, на образование которых тратится часть энергии перемещающегося в воздухе тела.

Рис. 2. Давление на поверхности неподвижного крыла везде равно атмосферному.

3. ПОДЪЁМНАЯ СИЛА

О

Существить полёт — значит направить эту силу так, чтобы она уравновешивала вес тела. Но как это сделать? Для ответа на этот вопрос рассмотрим распреде­ление давления воздуха по крылу самолёта.

Предположим, что на верхней и нижней поверхности крыла проделаны небольшие отверстия. Изнутри к ним подведены тонкие трубки, которые другими своими кон­цами соединены с микро­манометрами А и Б, на­полненными какой-либо жидкостью (ртутью, водой

И др.) [27])>

Схематично это пока­зано на рис. 2, где изо­бражено сечение крыла самолёта, или, как принято говорить, профиль крыла. Здесь представлен случай, когда самолёт стоит на земле, т. е. когда он не­подвижен относительно окружающего его воздуха. И кры­ло и воздух находятся в состоянии покоя. Давление воз­духа на поверхность крыла везде будет одинаковым и рав­

Ным атмосферному, о чём свидетельствует одинаковый уровень жидкости в трубках микроманометров А и Б.

Но вот самолёт летит (рис. 3). Крыло с большой ско­ростью обтекается встречным воздухом. В этом случае
различный уровень жидкости в трубках микроманометров Л и Б показывает, что нижняя поверхность крыла испы­тывает избыточное давление воздуха, т. е. больше атмо­сферного, а над верхней поверхностью крыла воздух раз­режен — там давление ниже атмосферного.

Разность уровней жидкости H в микроманометре А по­казывает величину перепада давлений между нижней по­верхностью крыла и атмосферой. Это различие уровней жидкости в микроманометре говорит о том, что на нижней поверхности крыла преобладает избыточное по сравнению с атмосферным давлением. Разность уровней жидкости h{ в микроманометре Б характеризует образовавшееся над крылом разрежение.

Откуда же возникли различия давления на поверх­ности крыла летящего самолёта?

Воздух давит на поверхность каждого тела, с которым он соприкасается. Это давление в каждой точке перпенди­кулярно к поверхности тела. Такое давление принято на­зывать статическим или просто давлением. Статическим является и всем известное атмосферное давление.

Но не всякое давление — статическое. Фундаменталь­ный закон аэродинамики, открытый в XVIII веке выдаю­щимся учёным, членом Петербургской академии наук Да­ниилом Бернулли, устанавливает определённую зависи­мость между давлением и скоростью в воздушном потоке. Этот закон показывает, что если скорость движения воздуха уменьшается, то его давление повышается. Если же ско­рость воздуха увеличивается, то давление его понижается.

Обычно верхняя поверхность крыла более выпукла, чем нижняя. Но поток воздуха неразрывен, и воздушные частицы, начавшие одновременно обтекать крыло сверху и снизу, не могут застрять или отстать где-то на полдоро­ге — они должны обязательно сойтись за крылом. Следо­вательно, чтобы встретиться, частицы воздуха вынуждены пройти вдоль верхней поверхности крыла несколько боль­ший путь, чем вдоль нижней. Частицы воздуха приобре­тают различную скорость на поверхности крыла. Согласно же закону Бернулли различие в скоростях воздушных струй вызывает разность давлений над крылом и под ним. Так, например, если разность давлений обтекающих крыло струй воздуха составляет обычно 1—2 процента атмосферного давления (или около 20 граммов на 1 квад­ратный сантиметр поверхности крыла), то при площа­
ди крыла в 10 квадратных метров это давление соста­вит две тонны.

Куда же направлено это давление воздуха?

13

Все силы давления, приложенные к крылу, можно за­менить одной равнодействующей силой. Её направление и величина зависят от так называемого угла атаки крыла. Дело в том, что крыло самолёта расположено обычно под некоторым углом к набегающему потоку. Этот угол и на­зывается углом атаки. Чем больше угол атаки, тем силь­нее притормаживается под ним воздух и тем длиннее путь

Рис. 4. Полная аэродинамическая сила крыла при различных углах атаки.

Воздушных частиц, обтекающих крыло сверху. Чтобы встретиться позади крыла, воздушные частицы должны приобрести различную скорость. Скорость частиц воздуха над крылом возрастает, а под ним — уменьшается; иными словами, разность скоростей воздушных струй над крылом и под ним увеличивается. Следовательно, с ростом угла атаки увеличивается и разность давлений воздуха на крыло. В зависимости от типа крыла и условий полёта ве­личина угла атаки может изменяться от нуля до 15— 20 градусов (дальнейшее увеличение угла атаки вызовет быстрое уменьшение подъёмной силы). С увеличением угла атаки полная аэродинамическая сила не только резко возрастает, но одновременно она несколько отклоняется назад (рис. 4).

3 Л. К. Баев

При изучении полета бывает трудно определить на­правление полной аэродинамической силы. Поэтому обыч­но определяют составные части этой силы: силу ло­бового сопротивления и подъёмную силу (рис. 5). Чем больше отношение подъёмной силы крыла к его ло­бовому сопротивлению, тем крыло лучше. Это отношение называется аэродинамическим качеством крыла.

Рис. 5. Разложение полной аэродинамической силы на её составляющие.

На заре авиации изобретатели и инженеры строили ле­тательные аппараты тяжелее воздуха без теории, без рас­чётов, наугад. Даже во время первой мировой войны, когда авиация уже получила всеобщее признание, само­лёты проектировались без серьёзных теоретических основ.

Теория крыла самолёта впервые была разработана в нашей стране — родине авиации, родине науки о полёте. В создании этой теории ведущую роль сыграл Н. Е. Жу­ковский.

Он говорил, что самолёт — такая же машина, как и всякая другая. Его можно рассчитать и строить, основы­ваясь на данных науки и техники, на формулах, которые уже найдены и совершенствуются учёными. Нам нужно научиться рассчитывать и строить летательные машины лучше, чем в какой-либо другой стране.

Теоретические расчёты Н. Е. Жуковского помогли уяснить природу возникновения подъёмной силы крыла.

Если в воздушный поток поместить неподвижный ци­линдр, то частицы воздуха будут обтекать его с одинако­
вой скоростью сверху и снизу. Если же этот цилиндр вра­щать в неподвижном воздухе, то его частицы будут увле­каться цилиндром в сторону вращения и возникнет круго­вой поток. А что произойдёт, если вращать цилиндр в по­токе воздуха? Частицы воздуха будут проноситься над ци-

Зона разрежения

Направление Воздушного

+ + + Зона повышенного давления

Рис. 6. Распределение давления на поверхности вращающегося в воздушном потоке цилиндра.

•* + + + +

Линдром гораздо быстрее, чем под ним. Согласно же за­кону Бернулли с ростом скорости потока давление убы­вает, и, следовательно, вращающийся цилиндр будет ис­пытывать снизу большее давле- ЦиркуляционноеддиЖе- Ние, чем сверху (рис. 6). ше потока вокруг кршц

Положение не изменится, ^ ---------------------- г*---

Если вместо вращающегося ци - ^ Сс^ШШ^^^^^^ ^ линдра в воздушном потоке с

15

Появится вихрь. Именно такой - воздушный вихрь и порождает­ся крылом летящего самолёта. Рис. 7. Циркуляционный по - Взаимодействуя с обтекающим ток В03ДУха В0КРУГ кРыла - крыло воздухом, этот вихрь вызывает добавочный цирку­ляционный поток вокруг самого крыла (рис. 7). Этот по­ток увеличивает скорость потока над крылом и умень­шает скорость воздушной струи под ним. Направление циркуляционного потока над крылом совпадает с направ­лением встречного крылу потока, и скорости здесь скла­дываются. Под крылом, наоборот, циркуляционный поток

3*

Движется навстречу обтекающему крыло потоку, и ско­рости здесь вычитаются. Таким образом, воздух ещё боль­ше притормаживается у нижней поверхности крыла летя­щего самолёта и сильнее разгоняется над верхней поверх­ностью крыла. А раз увеличивается разность скоростей, значит, согласно закону Бернулли возрастает избыточное давление, порождающее подъёмную силу крыла.

Н. Е. Жуковский установил количественную зависи­мость между подъёмной силой и скоростью воздушного потока над крылом и под ним. Он показал, что подъёмная сила, развиваемая крылом, может быть найдена как про­изведение плотности воздуха на поступательную скорость потока вдали от крыла, на циркуляцию скорости добавоч­ного течения вокруг крыла и на размах крыла.

4. ВИНТ ВМЕСТО КРЫЛА

И

Так, крыло должно быстро перемещаться в воздуш­ной среде — без этого не появится необходимая подъёмная сила. Вот почему самолёт, потеряв скорость, не может остановиться в воздухе.

Крылья самолёта неподвижно скреплены с его корпу­сом. А нельзя ли сделать так, чтобы крылья перемещались независимо от корпуса? Вспомним, как летают птицы и насекомые. Машущие крылья птиц, периодически колеб­лющиеся крылышки насекомых были образцами, которым следовали конструкторы орнитоптёров — летательных ап­паратов тяжелее воздуха с подвижными крыльями.

Такое подражание природе успехом не увенчалось. За всю историю науки и техники не удалось создать ни одной более или менее надёжной конструкции орнитоптёра. И всё-таки летательный аппарат с движущимися крыль­ями создан.

Есть забавная детская игрушка — «муха» — летаю­щий пропеллер. Это — вырезанный из дерева небольшой, двухлопастный воздушный винт с круглой палочкой, проде­той сквозь просверленное в центре него отверстие. Быстро раскрутив палочку между ладонями, придают винту вра­щение и отпускают его. Он мгновенно взлетает к потолку.

А вот и другой вид подобной игрушки. Четырёхлопа- стный винт сделан из пластмассы. У него короткая ось с двумя шпильками, которые вставляются в пазы специаль­ного заводного приспособления. Закрутим пружинку, по­вернём несколько раз винт, вставленный в это устройство, и нажмём кнопку в нижней части приспособления. Отпу­щенная пружинка, разворачиваясь, сообщит быстрое вра­щение винту, и он, выскользнув из пазов, взлетит на вы­соту нескольких метров.

Эта игрушка — действующая модель винтокрылой ле­тательной машины. Опыты с такой игрушкой весьма по­учительны. Присмотревшись к ней, мы заметим, что лопа­сти винта расположены не в одной плоскости, а несколько

Рис. 8. Трёхлопастной несущий винт вертолёта (вид сверху).

Отогнуты. Нетрудно понять, что, вращаясь, винт своими лопастями отбрасывает воздух вниз. При этом каждая ло­пасть работает как крыло самолёта. Подобно крылу, она отталкивает воздух от себя. Воздух тоже стремится от­толкнуть лопасти, отбрасывая винт вверх. Иными словами, к каждой лопасти вращающегося винта, как и к крылу летящего самолёта, приложена подъёмная сила. Она зна­чительно больше веса самого винта и поэтому заставляет его взмывать к потолку.

Таким образом, если заставить крыло двигаться, когда сам летательный аппарат находится в покое, то появится полная аэродинамическая сила, а следовательно, и подъ­ёмная сила. Этот принцип создания подъёмной силы и осу­ществлён в вертолёте. Это достигается с помощью несу­щего винта, заменяющего крылья самолёта.

Лопасть воздушного винта вертолёта в разрезе почти не отличается от профиля крыла самолёта (рис. 8, слева).

Таким образом, винт (движитель) вертолёта представляет собой два или три (а то и четыре, смотря по числу лопа­стей) «крыла». Эти «крылья» вращаются вокруг оси в го­ризонтальной плоскости (рис. 8, справа).

Мы знаем, что воздущный винт самолёта, вращаясь в вертикальной плоскости, создаёт тягу. Сила тяги направ­лена в сторону движения машины (вперёд) и при равно­мерном горизонтальном полёте с постоянной скоростью уравновешивает силу лобового сопротивления.

Но силе тяги воздушного винта можно придать и дру­гое направление. Если заставить винт вращаться в гори­зонтальной плоскости, то его тяга будет направлена по вертикали. Именно так и сделано в вертолёте. Его несу­щий винт, вращаясь в горизонтальной плоскости, разви­вает тягу, которая уравновешивает полётный вес всей ма­шины. Совершая вращательное движение, несущий винт создаёт подъёмную силу, которая удерживает вертолёт в воздухе независимо от того, перемещается ли он поступа­тельно или же «висит» на одном месте.

Несущий воздушный винт вертолёта состоит из не­скольких лопастей и втулки. Число лопастей винта обычно равно трём-четырём. Встречаются также двухлопастные винты. Но несущие винты отличаются не только числом лопастей; они характеризуются также диаметром, шири­ной лопастей и углом их установки.

Если мы разрежем лопасть винта поперёк, то увидим, что форма его сечения такая же, как и у крыла самолёта (рис. 8, слева). Угол между хордой сечения лопасти и плоскостью вращения винта называется углом установки сечения лопасти.

Чтобы понять, как образуется тяга несущего винта, представим себе, что каждая его лопасть — это небольшое крыло. При вращении винта лопасти будут двигаться в воздухе, и на них возникнут полные аэродинамические силы. Их проекции на ось вращения винта дадут нам ве­личину силы тяги винта. Проектируя полные аэродинами­ческие силы на плоскость вращения винта, мы получим силу сопротивления вращению несущего винта (рис. 9). На преодоление этой силы и расходуется мощность дви­гателя.

Чем же определяется величина тяги несущего винта?

Напомним, что полная аэродинамическая сила крыла тем больше, чем больше площадь крыла, угол атаки и ско­
рость полёта. Равным образом полная аэродинамическая сила несущего винта тем значительнее, чем больше пло­щадь лопастей, угол их установки и скорость вращения. Поэтому на крупных вертолётах применяются винты боль­шого диаметра, с боль­шими по площади ло­пастями.

Пока подъёмная си­ла несущего винта пол­ностью уравновешивает полётный вес вертолёта, он «висит» в воздухе, не снижаясь и не под­нимаясь. Как только уменьшится подъёмная сила винта, вертолёт начнёт снижаться, так как его полётный вес превысит тягу винта. Наоборот, если подъём­ная сила несущего вин­та возрастёт, то верто­лёт станет подниматься, так как сила тяги несу­щего винта будет превышать полётный вес машины. Изме­няя обороты несущего винта или угол установки лопастей, лётчик управляет движением вертолёта по вертикали. Увеличивается скорость вращения винта или угол уста­новки лопастей — возрастает подъёмная сила и машина поднимается. Падают обороты винта или уменьшается угол установки — убывает подъёмная сила и вертолёт снижается.

Несущий винт вертолёта должен создавать большую подъёмную силу, особенно на взлёте и при наборе высоты. Поэтому диаметр несущих винтов, применяемых на верто­лётах, достигает иногда 10—15 метров и более. Эти винты в несколько раз больше воздушных винтов самолётов, но скорость их вращения в несколько раз меньше.

Рис. 9. Силы, препятствующие вра­щению несущего винта.

Мы уже отмечали, что лопасть несущего винта верто­лёта напоминает крыло самолёта. На рис. 8, слева, пока­зано сечение лопасти несущего винта. Здесь есть все эле­менты профиля крыла. При вращении винта лопасть дви­жется своей передней кромкой в направлении, указанном
на рисунке стрелкой. При этом возникает действующая на лопасть полная аэродинамическая сила, подобно тому как это происходит при обтекании крыла летящего самолёта.

Полную аэродинамическую силу создают все элементы лопасти несущего винта. Сложив все силы, распределён­ные вдоль размаха лопасти, мы получим полную аэроди­намическую силу, действующую на всю лопасть.

5. ВЕРТОЛЁТ В ВОЗДУХЕ

М

Едленно и величаво пролетает, словно плывёт по воз­духу, вертолёт. Вот он, не спеша, разворачивается, останавливается и неподвижно «повисает» в нескольких десятках метров над землёй. Вдруг, слегка качнувшись, он начинает подниматься по отвесной линии, как будто его подтягивают вверх на невидимом троссе. Забравшись на высоту 200—300 метров, вертолёт снова «замирает» на несколько секунд, а- затем медленно спускается. Сначала он движется вертикально вниз, потом меняет направление и, продолжая спуск, как бы сколь­зит по наклонной плоскости.

Рассмотрим поведение вертолёта в воздухе с точки зрения механики. Вспомним, какие силы приложены к летящему самолёту. Это — полная аэродинамическая сила, которая мо­жет быть разложена на подъёмную силу и силу лобового сопротивления, а также сила тяги и полётный вес самолёта.

Предположим, что те же силы действуют и на вертолёт. Посмотрим, насколько верно это допущение.

Несомненно, сохранится сила тя­жести — полётный вес вертолёта. Эта сила будет действовать в том же направлении — к центру земли. А как с другими силами?

Вот вертолёт «повис» в воздухе. Работает двигатель, вращается несущий винт. Вертолёт неподвижен. Значит, все силы взаимно уравновешены: несущий винт развивает тягу, равную полётному весу машины (рис. 10).

Подъёмн

Ая сила

'.-Й - /

&Ц6

Полёти

Ыц вес

Рис. 10. Силы, прило­женные к «висящему» в воздухе вертолёту.

Но достаточно ли одного несущего винта, чтобы верто­лёт «повисал» неподвижно в воздухе?

Многие, вероятно, помнят забавную детскую игруш­ку— бабочку, которая летает с помощью несущего винта, приводимого в движение закрученными резиновыми жгу­тами. При вращении винта сама бабочка вращается в противоположную сторону.

Примерно то же самое происходит и с вертолётом. Не­сущий винт, вращаясь, не только создаёт подъёмную силу, преодолевающую силу тяжести. Он, кроме того, стремится повернуть всю машину в сторону, противоположную вра­щению винта (рис. 11).

Тяга рулевого винта Рис. И. Несущий винт стремится повернуть вертолёт в сто­рону, противоположную направлению своего вращения.

,Направление вращения несущего винта

Как же помешать вертолёту поворачиваться в направ­лении, противоположном вращению несущего винта?

На одновинтовом вертолёте для этой цели чаще всего применяется специальный рулевой винт. Обычно он рас­положен на конце хвостовой балки вертолёта. Рулевой винт, приводимый во вращение двигателем, порождает тягу. Как показано на рис. И, она направлена в сторону, противоположную той, куда несущий винт поворачивает машину. Таким образом, оба эти усилия, стремящиеся по­вернуть вертолёт в противоположных направлениях, вза­имно уравновешиваются. Не будь рулевого винта, верто­лёт всё время крутился бы с некоторой скоростью в на­правлении, противоположном вращению несущего винта.

Вместе с тем рулевой винт позволяет управлять верто­лётом в горизонтальной плоскости. Для этого лётчик из­меняет тягу рулевого винта, и вертолёт поворачивается в ту сторону, в которую действует больший крутящий мо­мент, создаваемый несущим винтом, или противоположно
направленный компенсирующий момент, возникающий в результате работы рулевого винта.

Но вертолёт способен не только «висеть» в воздухе, подниматься и опускаться по отвесной лидаи и повора­чиваться на одном месте. Он может перемещаться и по горизонтали и под любым углом к горизонту, может со­вершить подъём и спуск по какой угодно траектории.

Что движет, толкает вертолёт по горизонтали? Самолёт движется поступательно под действием тяги воздушного

Винта. У вертолёта не один, а два винта — несу­щий и рулевой. Какой же из них является движите­лем, создаёт горизонталь­ную тягу?

Рулевой винт вертолё­та, подобно воздушному винту самолёта, враща­ется в вертикальной плос­кости. Значит, его тяга на­правлена по горизонтали. Но эта сила не может сообщать вертолёту посту­пательное движение в воз­духе. Она не проходит че­рез центр тяжести маши - Рис. 12. Силы, действующие на ны и поэтому может толь - летящий горизонтально вертолёт. KQ повернуть вертолёт, о

Чём уже говорилось.

Остаётся несущий винт — движитель вертолёта. Он и создаёт тягу, направленную не только по вертикали, ио и по горизонтали.

Прежде чем перейти из положения «висения» в воздухе в положение горизонтального полёта, вертолёт должен слегка накрениться. Как это достигается, расскажем даль­ше. Когда вертолёт получит некоторый крен, тяга несу­щего винта отклонится на такой же угол. Этот момент и изображён на рис. 12, где схематично показаны силы, действующие на вертолёт при горизонтальном полёте.

Как показано на рисунке, полная сила тяги несущего винта может быть разложена на две взаимно перпенди­кулярные силы, из которых одна (подъёмная сила) на­правлена по вертикали, а другая (горизонтальная тяга) —
по горизонтали. Вертикальная составляющая полной силы тяги (подъёмная сила) уравновешивает силу тяжести — полётный вес самолёта. А горизонтальная составляющая (горизонтальная тяга) создает поступательное движение вертолёта. При полёте с постоянной скоростью она урав­новешивает силу лобового сопротивления вертолёта.

Подобным же образом можно построить параллело­грамм сил, действующих на вертолёт при подъёме и спу­ске по наклонной линии, при полёте по любой траектории.

6. УСТРОЙСТВО ВЕРТОЛЁТА

Рис. 13. Схема устройства одновинтового двухместного вертолёта: / — двигатель, 2 — муфта включения, 3 — вентилятор, 4 — муфта сво­бодного хода, 5— карданный вал, 6—главный редуктор, 7 — вал рулевого винта, 8 — нижний редуктор рулевого винта, 9— верхний вал рулевого винта, 10 — верхний редуктор рулевого винта, 11 — руле­вой винт, 12 — несущий винт, 13—автомат перекоса, — бензобак, 15 — радиоустановка, 16 — приборная доска, 17 — ручка управления, 18 — сектор газа, 19 — ручка управления шагом и дросселем, 20 — ры - чэг управления муфтой сцепления, 21 — два рядом установленных сиденья, 22—стабилизатор, 23 — хвостовой костыль, 24 — лопасть несущего винта, 25 — колёса шасси.

_______________________

Назначение фюзеляжа вертолёта — то же, что у само­лёта. Фюзеляж связывает между собой все составные элементы вертолёта в одно целое. В нём размещены си­ловая установка, механизмы трансмиссии, система управ­ления, различное специальное оборудование (рис. 13). Кроме того, в фюзеляже имеются кабина для пилота и

С

Овременные вертолёты обычно состоят из следующих основных частей: фюзеляжа, несущего винта, двига­теля, трансмиссий, системы управления вертолётом, шас­си и рулевого винта.

Пассажиров (если машина многоместная) и особое поме­щение для грузов.

Современные вертолёты, как и самолёты, в большин­стве случаев бывают однофюзеляжные. Передняя часть фюзеляжа застеклена. Фонарь (колпак из небьющегося органического стекла) защищает экипаж вертолёта от встречного потока воздуха и от непогоды.

Кабина оборудована окошками, а также плотно за­крывающимися дверцами. В кабине прямо перед пилотом укреплена приборная доска. Здесь же размещены ручки и педали управления. От следующего отсека, где нахо­дится двигатель, кабина может быть отделена невоспла - меняющейся противопожарной перегородкой.

Корпус вертолёта имеет несколько иную форму, чем у самолёта. Задняя часть его оканчивается продолговатой хвостовой балкой, конец которой у машин некоторых типов загнут кверху. Под фюзеляжем находится трёх­колёсное шасси: одно колесо — спереди, под кабиной, два других — по бокам фюзеляжа, ближе к его хвостовой части.

Фюзеляжи бывают металлические, деревянные и сме­шанные, в которых применены части, сделанные как из металла, так и из дерева. Дерево, идущее на изготовление деталей фюзеляжа, тщательно отбирается и проходит специальную предварительную обработку: прессуется (облагораживается), сушится, а затем пропитывается осо­быми огнестойкими растворами.

Для обшивки фюзеляжа чаще всего используют либо ткань (специальное полотно), либо многослойные сорта фанеры. Фанера прочно приклеивается к каркасу фюзе­ляжа казеиновым или смоляным клеем, отличающимся высокой влагоустойчивостью, и, кроме того, прибивается к деталям каркаса мелкими гвоздями. Сверху она по­крывается густым слоем лака.

В некоторых типах и конструкциях вертолётов каркас фюзеляжа обшивается тонким листовым металлом, чаще всего дюралюмином. Этот замечательный по своим ка­чествам алюминиевый сплав, куда входят медь, магний, марганец и другие элементы, очень лёгкий и чрезвычайно прочный, зарекомендовал себя в авиастроении как неза­менимый в ряде случаев материал [28]).

В средней части фюзеляжа, на специальной раме, установлен двигатель внутреннего сгорания[29]), приво­дящий в движение несущий и рулевой винты. Вращение от двигателя передаётся посредством особого передаточ­ного механизма — трансмиссии.

Место установки двигателя в значительной мере за­висит от конструкции и типа вертолёта. В одновинтовых вертолётах в целях обеспечения надёжности работы транс­миссии и уменьшения её веса мотор располагают обычно в непосредственной близости от несущего винта — под ним. При этом двигатель может быть установлен так, что ось его коленчатого вала совпадает с направлением оси основного потребителя мощности — несущего винта. Этим достигается значительное упрощение компоновки машины.

Но коленчатый вал двигателя нельзя соединить непо­средственно с валом несущего винта. Современные авиа­двигатели развивают 2000—2500 оборотов в минуту, тогда как несущий винт должен вращаться в несколько раз мед­леннее. Следовательно, прежде чем передать крутящий мо­мент двигателя несущему винту, обороты коленчатого вала необходимо редуцировать, т. е. изменить их, умень­шить в несколько раз. Для этой цели служит редуктор — специальный механизм, состоящий из определённым об­разом подобранных зубчатых колёс. Отношение числа зубьев ведущей шестерни, сидящей на коленчатом валу двигателя, к числу зубьев ведомой шестерни, закреплён­ной на валу несущего винта, определяет степень редукции или величину изменения количества оборотов. Эта вели­чина измеряется дробью в пределах обычно от Vs до V12.

Трансмиссия вертолёта — промежуточный механизм, обеспечивающий передачу мощности от двигателя к несу­щему винту,— состоит не только из редуктора несущего винта. В неё входят также муфта сцепления, муфта сво­бодного хода, соединительные валы и карданные сочлене­ния. Если же двигатель на вертолёте установлен так, что его коленчатый вал расположен горизонтально, то обяза­тельно должен быть ещё один редуктор — центральный, который изменяет направление передачи мощности с го­ризонтального на вертикальное.

Рассмотрим, как с помощью трансмиссии крутящий момент двигателя передаётся несущему винту вертолёта (рис. 14).

Редуктор рулевого Рис. 14. Схема трансмиссии вертолёта.

'Шарниры

Пружину, и она с силой прижимает один диск муфты сцепления к другому. Между соприкасающимися поверх­ностями дисков возникает трение, и оба диска начинают вращаться вместе. Крутящий момент двигателя переходит от ведущего диска к ведомому, сидящему на валу цент­рального редуктора, а через этот редуктор передаётся на соединительный вал. На его концах имеются кардан­ные сочленения. Это — специальные шарниры, устроен­ные по такому же принципу, как и подвеска компаса на корабле. Морской компас должен оставаться в горизонтальном положении при любом наклоне палубы во время качки. Для этого его подвешивают на двух шарнирах в кольце, которое в свою очередь вставляют внутрь другого кольца

Двигатель запущен и работает, но его коленчатый вал вращается пока вхолостую. Между ним и централь­ным редуктором находится муфта сцепления или муфта включения. Чтобы передать мощность от двигателя к не­сущему винту, надо плавно включить муфту сцепления (обычно фрикционного типа, как и автомобильная). По­средством специального устройства пилот освобождает
и соединяют с ним подвижно на таких же шарнирах. Снизу к компасу прикрепляют груз. При любом крене корабля, как бы ни наклонялись кольца, связанные шар­нирами друг с другом и с компасом, последний всегда сохраняет горизонтальное положение.

Подобным образом сочленяются валы силовой пере­дачи автомобиля. Это же устройство применяется и в трансмиссии вертолёта. Если соосность (геометрическое совпадение осей) соединительных валов и нарушается, то вращение через промежуточный вал, на концах которого имеется по карданному шарниру, всё равно передаётся. За соединительным валом расположена муфта свободного хода. Она автоматически отъединяет несущий винт от двигателя, если последний во время полёта вышел из строя. Несущий винт перейдёт на режим самовращения, а благодаря муфте свободного хода ему не надо будет вращать остановившийся двигатель. И вертолёт не упадёт. Он медленно спланирует и совершит посадку, так как несущий винт, продолжая вращение, создаст силу, пре­пятствующую быстрому снижению, подобно тому как это происходит при спуске с парашютом.

Через муфту свободного хода крутящий момент дви­гателя передаётся редуктору несущего винта. Здесь, как мы уже знаем, цилиндрические шестерни, взаимодействуя друг с другом, уменьшат число оборотов двигателя в несколько раз. А на валу этого редуктора закреплена втулка несущего винта, который, вращаясь, создаёт подъ­ёмную силу, удерживающую вертолёт в воздухе.

7. АВТОМАТ ПЕРЕКОСА

С

Овременный вертолёт — очень послушная в управле­нии машина. Повинуясь воле пилота, он легко меняет курс. Простота и надёжность в управлении вертолётом достигаются благодаря применению двух устройств: ав­томата перекоса и рулевого винта.

Познакомимся с автоматом перекоса.

Этот механизм, необходимый для обеспечения устой­чивости вертолёта и управления им, изобретён Б. Н. Юрь­евым. Автомат перекоса позволяет периодически изме­нять углы установки лопастей вращающегося несущего винта при каждом его обороте. А так как в связи с этим полные аэродинамические силы, действующие на лопасти в различных положениях при их вращении; оказываются неодинаковыми, то вертолёт получает требуемый наклон.

Чтобы лучше понять значение автомата перекоса, не­обходимо сказать о маховом движении лопастей несущего винта. Есть промежуточный между самолётом и верто­лётом тип летательного аппарата тяжелее воздуха — автожир (рис. 15). У этой машины нет таких больших крыльев, как у самолёта. Их заменяет несущий винт, который, вращаясь, создаёт подъёмную силу. Но в отли­чие от вертолёта несущий винт автожира приводится во

Несущий винт

Шасси Рис. 15. Автожир.

Вращение не двигателем, а набегающим потоком встреч­ного воздуха. Это явление самовращения несущего винта носит название авторотации (о чём говорит и само слово автожир: «аутос» по-гречески значит — сам, «жирар» по-испански — вращаться). Поступательное движение ав­тожир, подобно самолёту, получает от вращаемого авиа­двигателем тянущего винта.

Автожир не может оставаться неподвижным в воздухе и «висеть», как вертолёт. Минимальная скорость полёта этой машины составляет обычно 40—50 километров в час, что ^значительно меньше, чем у самолёта. Следовательно, взлётная и посадочная скорость автожира также невелика.

Но, несмотря на то^ что скорость разбега автожира перед взлётом была незначительна, первые попытки отор­ваться на таких машинах от земли нередко кончались катастрофой: автожир опрокидывался и разбивался.

Не без труда конструкторам удалось раскрыть причины этих неудач.

При горизонтальном полёте автожира лопасти не­сущего винта обдуваются встречным потоком воз­духа с различными скоростями. Та лопасть, которая в данный момент, вращаясь, движется в том же направле­нии, что и сам автожир, перемещается относительно окру­жающего воздуха быстрее, чем противоположная ей ло­пасть. Одна лопасть как бы обгоняет машину, другая отстаёт от неё. В одном случае собственная скорость ло­пасти и скорость полёта складываются, в другом —вы­читаются.

Но полная аэродинамическая сила всякого тела, в том числе и лопасти несущего 'винта, тем значительнее, чем быстрее оно движется в воздухе. Следовательно, полная аэродинамическая сила лопасти зависит от положения последней, от того, по какую сторону летательного аппа­рата находится она в данный момент. Это значит, что и подъёмная сила на лопастях неодинакова. В результате автожир стремится опрокинуться в сторону отстающей лопасти.

Чтобы избежать этого, конструкторы подвесили лопа­сти на шарнирах. Опрокидывающий момент уже не мог передаваться летательному аппарату.

Развитие автожира во многом способствовало созда­нию вертолёта.

Шарнирная подвеска несущих лопастей применяется теперь на вертолёте. Ведь он, как и автожир, относится к винтокрылым машинам, и на лопастях несущего винта летящего вертолёта, как и на лопастях несущего винта автожира, появляется опрокидывающий момент. Так раз­витие автожира помогло в решении одной из наиболее трудных задач, стоявших перед вертолётостроителями,— обеспечение устойчивости вертолёта.

29

Но на вращающиеся лопасти несущего винта дейст­вуют не только полная аэродинамическая сила и опроки­дывающий момент. При вращении несущего винта, как и любого тела, возникает центробежная сила, которая всегда направлена от центра к окружности. Это легко проверить на опыте. Раскрутив грузик, закреплённый на верёвочке, вы почувствуете, как она натянулась вслед­ствие действия центробежной силы. Такая же сила появ­ляется и на лопастях вращающегося несущего винта.

4 Л. К. Баев

На рис. 16 показано, как центробежная сила стремится расположить лопасти в плоскости вращения, противодей­ствуя опрокидывающему моменту.

Несколько иначе будут вести себя лопасти, если верто­лёт начнёт поступательное движение. В этом случае в

Подъёмная сила на лопастях Рис. 16. Центробежные силы, возникающие на лопастях несущего Винта.

Результате совместного действия подъёмной и центробеж­ной сил лопасти несущего винта совершают маховое дви­жение. На рис. 17 показано, как по мере прохождения лопастей по окружности их концы при каждом обороте взмахивают: обгоняющая лопасть несколько приподни­мается, а отстающая — опускается. При этом подъёмная сила взмахивающей лопасти несколько уменьшается.

Направление Отстающая лопасть

Направление Полета

Обгоняющая лопасть взмахивает

Рис. 17. Маховое движение лопастей несущего винта при горизонтальном полёте вертолёта.

Таким образом, само явление взмаха лопасти как бы регулирует величину её подъёмной силы. Следовательно, благодаря маховому движению лопасти её подъёмная сила на протяжении всего оборота несущего винта почти не меняется. Тем самым достигается устойчивость летя­щего вертолёта.

Взмахивание лопастей несущего винта происходит лишь в случае, если вертолёт движется поступательно. При «висении» и вертикальном взлёте лопасти вертолёта таких взмахов не совершают. Это и понятно. Ведь в таких случаях подъёмная сила каждой лопасти остаётся посто­янной независимо от её положения в той или иной точке окружности.

Теперь, когда мы познакомились с явлением махового движения лопастей несущего винта, легче будет понять принцип действия автома­та перекоса. Этот меха­низм периодически изме­няет угол установки каж­дой лопасти вращающего­ся несущего винта. В опре­делённой точке описывае­мой окружности угол уста­новки лопастей имеет мак­симальное значение. Про­ходя же через диаметраль­но противоположную точ­ку окружности, каждая лопасть получает, наобо­рот, минимальный угол установки.

Периодическое измене­ние угла установки лопа­стей при каждом обороте приводит к тому, что на­правление силы тяги несу­щего винта изменяется. Возникает некоторый момент от­носительно центра тяжести вертолёта. Это и заставляет машину накрениться, что необходимо для того, чтобы она могла начать горизонтальный полёт.

Наружное кольцо

Управление общим шагом

Рис. 18. Автомат перекоса.

Устройство автомата перекоса показано на рис. 18.

31

Втулку несущего винта окружают три кольца. Пер­вое — внутреннее кольцо — соединено с валом транс­миссии и вращается вместе с ним. Второе — промежу­точное кольцо,— тягами и рычагами непосредственно связанное с лопастями несущего винта, вращается, как и первое. Третье — наружное кольцо — неподвижно, при­чём между ним и промежуточным кольцом находятся шарикоподшипники.

4*

Внутреннее кольцо, вращающееся вместе с валом трансмиссии, соединено со втулкой несущего винта по­средством оси и поэтому может качаться. Промежуточное кольцо также посажено на ось и также может качаться. Эта вторая ось, связывающая промежуточное кольцо с внутренним, перпендикулярна к первой. Такое устройство позволяет придавать кольцам автомата перекоса любой необходимый наклон.

Каждая из лопастей несущего винта присоединена к его втулке не только с помощью шарнира, позволяю­щего лопасти совершать маховое движение. Она посажена также на соответствующей ей короткой оси, подвижно закреплённой во втулке винта. Благодаря такому устрой­ству каждая отдельная лопасть независимо от других может быть повёрнута на любой угол. Иначе говоря, ло­пастям можно сообщить любой нужный угол установки. Эту работу и выполняет автомат перекоса.

Вертолёт «повис» в воздухе. Тихо жужжа, равномерно вращаются его винты, несущий и рулевой. Машина недви­жима, она словно застыла над землёй. Это значит, что равнодействующая сила тяги несущего винта направлена строго вертикально. Следовательно, лопасти несущего винта, вращаясь, не меняют угла установки.

Но вот пилот слегка отклонил ручку управления. Из­меняется наклон внешнего неподвижного кольца автомата перекоса. Вращающееся внутри него на шарикоподшип­никах промежуточное кольцо получает такой же наклон, поскольку оно свободно подвешено на карданном шар­нире. Теперь промежуточное кольцо, продолжая вра­щаться, меняет свой наклон в течение каждого оборота. Это периодическое изменение наклона кольца через ме­таллические поводки, шарнирно связанные с промежу­точным кольцом и рычагами лопастей, передаётся по­следним.

Таким образом, пилот, воздействуя на органы управ­ления из кабины вертолёта, задаёт нужный режим работы автомату перекоса. А последний при каждом обороте лопасти меняет угол её установки уже автоматически, в соответствии с заданным режимом. Периодическое из­менение угла установки каждой лопасти, как мы знаем, приводит к тому, что равнодействующая сила тяги несу­щего винта наклоняется. В результате этого наклона вер­толёт и начинает двигаться в горизонтальной плоскости.

Изменение наклона равнодействующей силы тяги не­сущего винта с помощью автомата перекоса — основной, самый надёжный и наиболее разработанный способ уп­равления вертолётом. Автомат перекоса позволяет накре­нить машину, а также обеспечить необходимый продоль­ный наклон; этот же механизм участвует в управлении движением вертолёта при взлёте и спуске.

Кольца автомата перекоса подвешены на карданном шарнире не непосредственно к валу, а к сидящей на нём скользящей муфте. Эта муфта, вращаясь вместе с валом, может одновременно перемещаться по нему вверх и вниз. Если рычаг управления общим шагом потянуть на себя, то скользящая муфта несколько опустится и, будучи свя­зана с охватывающими её кольцами, увлечёт их книзу. В результате одновременно увеличатся углы установки всех лопастей.

Нажим на рычаг управления общим шагом в направ­лении от себя приведёт к обратному явлению: к одновре­менному уменьшению углов установки всех лопастей.

Таким образом, поворачивая рычаг управления общим шагом и одновременно прибавляя или убавляя обороты двигателя, пилот может по своему желанию изменять силу тяги несущего винта, иначе говоря, управлять взлё­том и спуском вертолёта.

Итак, при любом положении вертолёта в воздухе лёт­чик управляет машиной посредством рычага управления общим шагом несущего винта и рукоятки газа. Обычно управление общим шагом объединено с сектором газа — ручкой дросселя двигателя. Поворачивая ручку объеди­ненного управления шагом и газом, пилот не только изме­няет углы установки всех лопастей, но одновременно и увеличивает или уменьшает количество рабочей смеси, поступающей в цилиндры двигателя, т. е. управляет обо­ротами несущего винта.

Таким образом, при увеличении углов установки лопа­стей автоматически возрастает мощность двигателя и, на­оборот, она падает при уменьшении углов установки.

Принцип управления вертолётом в вертикальной пло­скости заключается в изменении угла установки сразу всех лопастей при одновременном уменьшении или увели­чении оборотов несущего винта, иначе говоря, в измене­нии величины и направления подъёмной силы несущего винта.

Для того чтобы взлетевший вертолёт начал поступа­тельное движение, лётчику достаточно отклонить от себя ручку управления. Наоборот, если потянуть ручку упра­вления к себе, то машина прекратит горизонтальный по­лёт и начнёт вертикальный взлёт. При промежуточном положении ручки управления происходит взлёт (или спуск) вертолёта по наклонной траектории. Отклонение этой ручки в сторону вызывает соответствующий крен машины.

Ручка управления находится непосредственно перед сидением пилота. Она связана системой тяг с внешним не­подвижным кольцом автомата перекоса. Её отклонение вызывает перекос этого кольца и, следовательно, перекос лопастей при каждом обороте и наклон равнодействующей силы тяги несущего винта, что ведёт к изменению положе­ния вертолёта в воздухе. Таким образом, ручка позволяет осуществлять управление вертолётом в продольном и по­перечном направлениях.

8. РУЛЕВОЙ ВИНТ

П

Осмотрим теперь, как производится путевое управле­ние вертолётом. Как было уже сказано, в хвостовой части машины расположен рулевой винт. Изменяя его тя­гу, лётчик заставляет вертолёт разворачиваться в нужную сторону.

Рулевой винт приводится во вращение двигателем с по­мощью специальной трансмиссии. От конической шестерни редуктора несущего винта вдоль хвостовой балки фюзе­ляжа тянется длинный разрезной вал, подвешенный на шарнирах. Он передаёт некоторую часть мощности дви­гателя редуктору рулевого винта. Здесь направление передаваемого крутящего момента изменяется с помощью специально подобранных шестерён на 90 градусов.

Из сказанного ещё не ясно, как изменяется тяга руле­вого винта. Ведь скорость его вращения (обычно около 1200—1500 оборотов в минуту) определяется количе­ством оборотов двигателя и передаточным числом ре­дуктора.

Изменять передаточное число редуктора нельзя — оно всегда остаётся постоянным. Увеличивать же или умень­шать обороты двигателя для соответствующего изменения тяги рулевого винта также невозможно, поскольку упра­вление сектором газа используется для другой цели — для регулирования подъёмной силы несущего винта. Остаётся единственный путь — изменять шаг рулевого винта, т. е. уменьшать или увеличивать угол установки его ло­пастей.

Этот способ и применяется для путевого управления вертолётом. Нажимая на педали, расположенные в ниж­ней передней части кабины, пилот приводит в движение систему тяг и рычагов, которые изменяют угол установки лопастей рулевого винта. В результате тяга его становится больше или меньше в зависимости от того, на какую пе­даль нажали, и вертолёт поворачивается в нужном направ­лении. При этом поворот машины может производиться как в положении «висения», так и при полёте с любой ско­ростью и по любой траектории.

Рулевой винт по своей конструкции напоминает обыч­ный тянущий самолётный винт. Его лопасти сделаны из дерева. Втулка устроена так, что позволяет легко изменять углы установки лопастей. Чтобы предотвратить поломку рулевого винта в момент приземления, его помещают на загнутом вверх конце хвостовой балки, а на сгибе задней части фюзеляжа устанавливают так называемый костыль, который при посадке упирается в землю.

На некоторых вертолётах путевое управление осуще­ствляется посредством обычного самолётного руля пово­рота, а компенсация крутящего момента несущего винта может быть достигнута, например, за счёт использования реакции выхлопных газов двигателя. Именно так построен вертолёт, получивший характерное название «летающая труба». Фюзеляж этой машины напоминает трубу. Отрабо­танные газы двигателя выбрасываются через специальное боковое отверстие в хвостовой части трубы в том же на­правлении, в каком действует крутящий момент несущего винта. В результате крутящий момент гасится силой от­дачи (реакцией) выхлопных газов. Таким образом, необ­ходимость в обычном хвостовом винте отпадает.

Избавиться от крутящего момента можно и в том слу­чае, если вертолёт имеет два соосных несущих винта[30]), вращающихся с одинаковыми скоростями, но в разные стороны. Крутящие моменты обоих винтов будут взаимно уравновешиваться.

Чтобы облегчить работу пилота, на некоторых вертолё­тах существует частичная автоматизация управления. Спе­циальные приборы и механизмы автоматически сохраняют постоянство оборотов несущего винта путём одновремен­ного изменения угла установки всех лопастей и соответ­ствующего регулирования количества подаваемой в цилиндры двигателя горючей смеси. В другом случае спе­циальные устройства автоматически обеспечивают стро­гую зависимость работы несущего винта и шага рулевого

Рис. 19. Реактивный вертолёт.

Винта в целях уравновешивания реактивного крутящего момента на всех режимах полёта. В некоторых конструк­циях применяется автоматическая система, переводящая без вмешательства пилота несущий винт на режим само­вращения немедленно при внезапной остановке двигателя.

Существуют и другие варианты автоматизации отдель­ных звеньев управления.

В заключение нашего рассказа об устройстве современ­ного вертолёта упомянем о применении на этой летатель­ной машине двигателей нового типа.

В настоящее время для вращения несущего винта вер­толёта используется, как правило, поршневой двигатель внутреннего сгорания. Но бурное развитие реактивной авиации, создание надёжных и достаточно экономичных реактивных двигателей ставят вопрос о применении дви­гателей этого типа и на вертолёте.

Строятся и испытываются опытные конструкции верто­лётов с несущим винтом, приводимым в движение. газовой турбиной. Разрабатываются также проекты вертолётов с реактивными двигателями, располагаемыми на концах ло­пастей несущего винта. Вертолёт с подобной силовой уста­новкой обладает большими преимуществами. У него нет, например, реактивного крутящего момента, вследствие чего отпадает необходимость в рулевом винте. Суще­ственно облегчается и упрощается конструкция верто­лёта в связи с отсутствием сложной и тяжёлой транс­миссии.

Один из реактивных вертолётов (рис. 19) совершил свой первый полёт ещё в апреле 1951 года.

Как видно из рисунка, этот вертолёт не нуждается в рулевом винте. Путевое управление производится посред­ством обычного руля поворота самолётного типа.

9. СОВЕТСКИЕ ВЕРТОЛЁТЫ

И

Стория лётного дела в дореволюционной России — это волнующая летопись самоотверженной борьбы одино­чек-энтузиастов за покорение воздушной стихии. Безраз­личие, косность, а порой и открыто враждебное отношение к отечественным изобретениям и открытиям со стороны правящих кругов царской России, не веривших в творче­ские силы своего народа, тормозили развитие авиацион­ной техники в нашей стране.

Молодой Советской республике досталось небогатое авиационное наследство. Царизм оставил нам лишь не­большой парк из 300 изношенных самолётов устаревших конструкций. Обновить этот парк было нелёгким делом. После победы социалистической революции в нашей стране Советское государство располагало лишь пятью авиационными мастерскими. Чтобы наладить собственное производство первоклассных самолётов и авиадвигателей, нужно было построить крупные авиационные заводы — самолётостроительные, моторостроительные, приборо­строительные, словом, нужно было создать высокоразви­тую авиапромышленность. А для этого требовалось осуще­ствить индустриализацию страны.

В 1918 году, несмотря на серьёзное положение на фронтах и хозяйственную разруху в тылу, организуется Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), ставший впоследствии ведущим авиационным научно-ис­следовательским центром.

Под руководством Коммунистической партии в нашей стране в невиданно короткие сроки была создана мате­риальная основа социализма — тяжёлая индустрия. Бур­ное развитие металлургии и машиностроения обеспечило советской авиапромышленности быстрые темпы роста, каких не знала и не знает ни одна другая страна в мире. Вновь созданные авиационные заводы были оснащены первоклассным оборудованием. К исследовательской ра­боте в области авиации были привлечены виднейшие деятели науки и техники. При постоянной заботе и под­держке Коммунистической партии и Советского прави­тельства наши авиастроители создали замечательные ма­шины, которые по своим качествам намного превосходят зарубежные.

На базе отечественной авиапромышленности получило развитие в нашей стране и вертолётостроение.

В августе 1930 года на опытном заводе ЦАГИ был по­строен первый советский вертолёт 1-ЭА (первый экспери­ментальный аппарат), спроектированный бригадой под руководством А. М. Черёмухина. Это была одноместная двухмоторная машина с одним несущим и двумя руле­выми винтами. С 1930 по 1934 год на ней было проведено много опытных полётов.

14 августа 1932 года вертолёт 1-ЭА, управляемый лёт­чиком профессором А. М. Черёмухиным, достиг рекордной по тому времени высоты — 605 метров. Этот результат во много раз превышал официальный мировой рекорд, уста­новленный в 1928 году итальянцем Аскания на машине его конструкции (18 метров).

В результате испытаний первых образцов вертолётов было установлено, что для повышения устойчивости ма­шины необходимо лопасти несущего винта не закреплять жёстко во втулке, а делать их свободно взмахивающими, т. е. шарнирно присоединять лопасти к втулке. Это было осуществлено на вертолёте 5-ЭА, у которого из шести ло­пастей несущего винта три длинные были укреплены на шарнирах, а три короткие жёстко закреплены во втулке, но могли поворачиваться вокруг своих продольных осей (как у самолётных винтов изменяемого в полёте шага).

Спустя два года были начаты и через год закончены работы по созданию нового аппарата 11-ЭА с 12-цилин - дровым двигателем мощностью 600 л. с. (рис. 20). Эта двухместная машина имела обычное самолётное оперение. Два рулевых винта были установлены на небольших крыльях по обеим сторонам фюзеляжа. Таким образом, 11-ЭА представлял собой по существу сочетание верто­лёта и автожира и обладал достоинствами обоих типов летательных аппаратов. Видоизменённый вариант машины 11-ЭАПВ не имел крыльев. Впервые в истории авиации этот вертолёт совершал регулярные полёты с экипажем из двух человек.

Рис. 20. Двухвинтовой вертолёт 11-ЭА.

Тяжёлый вертолёт 11-ЭА был крупным достижением советской авиационной техники.

В 1939 году советский конструктор И. П. Братухин при участии Б. Н. Юрьева начал проектирование нового верто­лёта, получившего название «Омега». Два года спустя ма­шина уже была построена Московским авиационным ин­ститутом.

«Омега» — тяжёлая двухмоторная машина с двумя не­сущими винтами, рассчитанная на экипаж из двух человек (рис. 21). Вертолёт имеет фюзеляж, к которому с обеих сторон на ажурных металлических фермах прикреплены две обтекаемые гондолы. В каждой гондоле — авиадвига­тель и трансмиссия. Над ними расположены трёхлопаст­ные несущие винты, вращающиеся в разные стороны (в ре­зультате чего реактивные крутящие моменты взаимно погашаются). Внизу — шасси стремя колёсами. Металли­ческий фюзеляж удобообтекаемой формы мало чем отли­чается от самолётного. Передняя часть фюзеляжа, обши­тая плексигласом, образует кабину экипажа. Сиденья расположены одно за другим. На хвосте установлено опе­рение, состоящее из стабилизатора и киля с рулём пово­рота. Шасси имеет широкую колею, благодаря чему ма-

Рис. 21. Двухвинтовой вертолёт поперечной схемы конструкции И. П. Братухина и Б. Н. Юрьева.

Шииа очень устойчива на земле при любом ветре. Упра­вление вертолётом производится путём изменения угла установки лопастей несущих винтов. Система управле­ния — самолётного типа.

Рис. 22. Лёгкий вертолёт «Иркутянин» конструкции Н. И. Камова.

«Омега» — мощный вертолёт. Полёты этой машины в 1944—1945 годах показали её отличные лётные данные. Создатели этого одного из лучших в те годы вертолёта

И. П. Братухин и Б. Н. Юрьев были удостоены Сталин­ской премии.

Интересна машина, созданная советским конструкто­ром Н. И. Камовым,— одноместный, необычайно лёгкий двухвинтовой вертолёт «Иркутянин» соосной схемы (рис. 22). Этот аппарат может перевозиться на грузовике, взлетать непосредственно с платформы грузового авто­мобиля и садиться на неё.

На послевоенных воздушных парадах в Тушино еже­годно демонстрировались советские вертолёты. В 1948 го­ду на параде были показаны вертолёты двух классов — лёгкие и тяжёлые. В 1951 году в полёте были про­демонстрированы одновинтовые вертолёты конструкции выдающегося советского конструктора М. Л. Миля, ока­завшиеся очень перспективными и обнаружившие высокие лётные данные.

Немало других советских инженеров и лётчиков потру­дилось над решением задачи создания надёжных отече­ственных винтокрылых машин — вертолётов и автожиров. Это — конструкторы Н. К. Скржинский, В. А. Кузнецов, лётчики-испытатели вертолётов А. М. Михеев, Д. А. Ки - шин, Г. И. Комаров, М. Д. Гуров, М. К. Байкалов, К. И. Пономарёв и др.

10. ПОЛЁТ НА ВЕРТОЛЁТЕ

М

Ы познакомились с основными принципами полета вертолёта, с историей его развития, устройством и взаимодействием отдельных частей. Теперь совершим мыс­ленно полёт на вертолёте.

Вы усаживаетесь на мягком удобном сиденье в остек­лённой кабине вертолёта, просторной и светлой, как ку­зов автомашины «ЗИМ».

Рядом занимает своё место лётчик. Перед ним — при­борная доска, несколько циферблатов со стрелками (рис. 23). Здесь, как и в любом самолёте, вы найдёте указатель скорости, высотомер (альтиметр), вариометр (прибор, по­казывающий скорость изменения высоты — подъёма или спуска). Имеются здесь и приборы, контролирующие ра­боту двигателя — температуру масла, напряжение в элек­трической цепи, количество оставшегося в баках горю­чего и т. д. Тут же установлен тахометр; он показывает число оборотов несущего винта. По показаниям другого прибора — указателя общего шага — пилот судит о том, какова в данный момент величина угла установки лопа­стей несущего винта.

Помимо уже известных нам рукояток, рычагов и педа­лей, вы замечаете справа от пилота ручку управления муфтой сцепления. Усевшись поудобнее, пилот первым делом проверяет, выключена ли муфта сцепления, и,

Рис. 23. Рычаги управления и приборная доска в кабине вертолёта.

Лишь убедившись в этом, запускает мотор. Хотя двига­тель и заработал, несущий винт остаётся пока не­подвижным.

Пока двигатель прогревается на малых оборотах, пи­лот проверяет действие рулей. Нажимает поочерёдно на обе педали, и лопасти рулевого винта послушно поворачи­ваются во втулке. Выводит из нейтрального положения рукоятку управления, и кольцо автомата перекоса накло­няется, а лопасти несущего винта устанавливаются под разными углами. Тянет к себе ручку общего шага, и весь механизм автомата перекоса перемещается немного вверх, к винту, причём сразу же все лопасти несколько повора­чиваются так, что углы их установки увеличиваются одно­временно на одну и ту же величину.

Но вот двигатель уже прогрелся, о чём лётчик узнал по прибору, сигнализирующему о температуре масла. Те­перь можно взлететь. Правой рукой пилот плавно нажи­мает на ручку, включающую муфту сцепления, и одновре­менно левой рукой постепенно передвигает сектор газа. Несущий винт начинает раскручиваться. Его обороты на­растают, о чём говорит неуклонное перемещение стрелки тахометра. Вот уже число оборотов достигло той вели­чины, при которой взлёт вертолёта вполне возможен. Но машина не отрывается от земли. Значит, надо увеличить угол установки всех лопастей. Для этого нужно взять на себя рычаг общего шага. Лётчик делает это постепенно, очень плавно, одновременно понемногу прибавляя газ. И вы даже не успеваете заметить, как вертолёт отделяет­ся от земли и начинает подниматься.

Посмотрите на прибор — указатель общего шага. Угол установки лопастей уже достиг 10 градусов и про­должает расти. Вместе с тем увеличиваются обороты дви­гателя, а значит, и несущего винта. Вертолёт быстро наби­рает высоту, поднимаясь в небо отвесно, строго по верти­кали.

Подъём всё продолжается. Но вдруг движение вверх прекращается. Лётчик «остановил» вертолёт в несколь­ких сотнях метров над землёй.

«Постояв» немного на месте, вертолёт продолжает прерванный вертикальный взлёт. Наблюдайте за высото­мером. Стрелка этого прибора приближается к красному делению шкалы. Вот она уже дошла до этого деления, но не переходит его. Двигатель развивает максимальную мощность, однако подъём прекратился. Значит, машина достигла своего так называемого статического потолка, и дальнейший подъём по вертикали уже невозможен.

Пилот отклоняет ручку управления от себя. При этом, как вы уже знаете, срабатывает автомат перекоса, и вер­толёт начинает поступательное движение. Прибор пока­зывает, что скорость полёта растёт: 10, 20, 30, 50 кило­метров в час. А стрелка высотомера снова ожила и пере­скочила красное деление. Это значит, что машина не только летит над поверхностью земли, но и набирает высоту.

Почему же вертолёт снова забирается ввысь?

Дело в том, что при поступательном движении ма­шины на её несущем винте возникает дополнительная подъёмная сила. Поэтому динамический потолок (так на­зывается максимальная высота подъёма при поступа­тельном движении с набором высоты) значительно пре­восходит статический потолок.

Итак, мощность, необходимая для поддержания верто­лёта в воздухе при горизонтальном полёте меньше, чем при «висении».

Следовательно, чтобы летать, не набирая высоты, достаточно уменьшить обороты несущего винта, т. е. убавить газ. Но можно поступить и иначе: не сбавляя оборотов, ещё дальше отодвинуть от себя ручку упра­вления. Тогда равнодействующая силы тяги несущего винта отклонится ещё больше вперёд и избыток мощ­ности двигателя будет затрачиваться уже не на подъём вертолёта, а на увеличение скорости его полёта по гори­зонтали.

Дальнейшее увеличение скорости приведёт к тому, что вертолёт начнёт понемногу терять высоту. Это озна­чает, что теперь уже не хватает мощности даже для го­ризонтального полёта. Чтобы приостановить снижение, пилот вынужден дать полный газ, т. е. заставить рабо­тать двигатель на самых больших оборотах. При этом ма­шина приобретает значительную скорость, граничащую с максимальной.

Лётчик нажимает педаль, и вертолёт плавно развора­чивается. При желании поворот можно ускорить. Для этого нужно достаточно быстро надавить на соответ­ствующую педаль.

Бензиномер показывает, что горючего в баке остаёт­ся немного. Внезапно шум ог работы двигателя смолкает, и машина с лёгким свистом, почти бесшумно идёт к зем­ле: это пилот заглушил двигатель и выключил муфту сцепления. Теперь вертолёт планирует, движется по наклонной линии к земле. Несущий винт перешёл на режим самовращения. Он вращается от набегающего воздуха и при этом развивает подъёмную силу, которая препятствует быстрому снижению машины. Варио­метр показывает, что ежесекундная потеря высо­ты не превышает 4—5 метров. При такой скорости спуска приземление вертолёта не представляет никакой опасности.

Однако зачем же лётчик остановил двигатель? Он просто решил сэкономить немного горючего.

Вот земля уже совсем близко. Тогда лётчик откры­вает расположенный слева от него кран пневмозапуска двигателя. Секунда — другая, и двигатель, раскручен­ный сжатым воздухом, снова заработал. Спуск прекра­тился, вертолёт «повис» в нескольких метрах над аэро­дромом.

Вы можете открыть дверь, спустить верёвочную лест­ницу, без особого труда сойти на землю и так же легко вернуться в машину.

Последние минуты полёта.

Вертолёт взмывает, словно движется по невидимой наклонной плоскости вверх.

Вот под вами посадочная площадка. Она немного сле­ва и позади вертолёта.

Остановив машину в воздухе, пилот берёт ручку управ­ления немного на себя и чуть-чуть влево. Значит, в том же направлении отклонилась и равнодействующая силы тяги несущего винта. Вертолёт пятится в воздухе, одно­временно несколько смещаясь влево.

Лётчик останавливает машину точно над очерчен­ной по краям посадочной площадкой. Затем плавным движением убирает газ, и вертолёт касается земли с лёг­ким, почти неощутимым толчком.

Полёт окончен. Лётчик глушит двигатель и, чтобы остановить вращающийся по инерции несущий винт, пус­кает в ход тормоз. Теперь вы можете выйти из кабины прямо на поле.

Так летают на вертолёте.

Вертолёт — исключительно маневренная машина. Но по сравнению с самолётом он всё же менее устойчив. По­лёт на вертолёте требует от лётчика не только большой внимательности, но и значительной выносливости. Особен­но труден и утомителен полёт в группе.

Практика показывает, что каждый лётчик при жела­нии может научиться управлять вертолётом. Теперь, когда у нас появились учебные вертолёты с двойным управле­нием, сроки обучения на этих машинах резко сокра­тились.

11. ПРИМЕНЕНИЕ ВЕРТОЛЁТА

Безопасность полёта — одно из важнейших требований,

Предъявляемых ко всем типам летательных машин. Одномоторный самолёт в случае поломки двигателя дол­жен немедленно планировать и приземлиться. Но для без­аварийной посадки даже лёгкого самолёта требуется до­статочно ровная, расчищенная площадка шириной в не­сколько десятков и длиной в несколько сот метров. Иное дело—вертолёт. Внезапная остановка двигателя не страш­на этой машине. Вертолёт может спланировать или спу­ститься вертикально и совершить вынужденную посадку на любую площадку: небольшую лужайку, шоссе, про­сёлочную дорогу или прямо на пашню.

У вертолёта нет опасного свойства самолёта «терять скорость», которое иногда может стать причиной авиа­ционной катастрофы.

В случае необходимости вертолёт способен сопрово­ждать, не обгоняя и не отставая, идущий поезд, автома­шину, пароход, глиссер, лодку, пловца.

Можно добиться, чтобы полёт вертолёта был почти бес­шумным. Дело в том, что несущий винт вертолёта вра­щается в несколько раз медленнее, чем самолётный винт, и поэтому создаёт сравнительно мало шума. А от гула ра­ботающего двигателя можно легко избавиться, поставив глушитель.

Свойства и особенности вертолёта определяют области его применения в народном хозяйстве.

Юркая двухместная машина — незаменимое средство сообщения и связи в труднодоступных местах. Связь ме­жду геологическими партиями,, работающими в горных и таёжных районах, перевозка почты и срочных грузов в населённые пункты, расположенные в лесисто-болотистой местности, доставка врачей и медикаментов туда, где не может приземлиться самолёт, быстрая транспортировка больных, нуждающихся в неотложной помощи — всё это может делать вертолёт.

Вертолёт прочно входит в нашу жизнь. Ранней весной 1954 года в районы Заволжья на вертолётах в исключи­тельно сложных метеорологических условиях был перебро­шен корм для скота. Сейчас каждое утро в некоторые районы Московской области прибывает вертолёт, достав­ляя свежие столичные газеты и почту (рис. 24).

Можно ожидать, что основным типом вертолёта зав­трашнего дня будет тяжёлая многомоторная, многомест­ная машина с несколькими несущими винтами. Уже сей­час проектируются, строятся и испытываются вертолёты,

Рис. 24. Вертолёт конструкции М. JI. Миля доставил столичные газеты и почту в Верейскую районную контору связи (Московская область).

Рассчитанные на перевозку крупных грузов или 10—12 и больше человек (рис. 25). Такие аппараты способны об-

Рис. 25. Современные транспортные вертолёты (в разрезе): а — пасса­жирский вертолет на 12 человек, б—тяжёлый грузовой вертолет.

Служивать пассажирские линии, причём отпадает необхо­димость в специально оборудованных аэродромах; для взлёта и посадки может быть использовано шоссе, даже достаточно широкая улица, пустырь или спортивная пло­щадка — вообще любой участок в несколько десятков квадратных метров.

Интересны попытки создания вертолёта-автомобиля. Это по существу обычная легковая автомашина со скла­дывающимся на земле несущим винтом. Она окажется пригодной и для деловых целей и для загородных семей­ных прогулок. Один из вертолётов-автомобилей рассчитан на двух человек. На этой машине имеется обычный авто­мобильный штурвал для управления при езде по дороге и в горизонтальном полёте. Управление при подъёме, спу­ске и «висении» производится с помощью рукоятки на по­толке кабины. Два соосных несущих винта вращаются в противоположные стороны двигателем мощностью в 90 л. с. Максимальная скорость горизонтального полёта этого вертолёта-автомобиля — до 150 километров в час, а скорость движения по дороге — до 90 километров в час.

Таким образом, можно предполагать, что в ближайшие годы пассажирские вертолёты будут широко применяться как средства городского и пригородного транспорта кол­лективного и индивидуального пользования. Уже сейчас имеется опыт применения четырёхместных вертолётов в качестве «воздушного такси».

В случае нужды вертолёт может совершить посадку на плоскую крышу дома. Даже там, где совсем нет места для приземления, например на крутых горных перевалах и в непроходимых топях, нас выручит эта замечательная машина: с вертолёта, «повисшего» в нескольких метрах над землёй, можно сбросить верёвочную лестницу.

Эти примеры показывают, что в ряде случаев вертолёт незаменим.

В какой же мере он может стать соперником само­лёта?

Самолёт — замечательное транспортное средство. Тя­жёлые транспортные машины быстро перемещают по воз­духу большие грузы и пассажиров за тысячи километров. Быстроходные комфортабельные самолёты, курсирующие на авиалиниях нашей необъятной Родины, сближают ме­жду собой самые отдалённые пункты, сокращают расстоя­ния и сберегают нам время. Но при небольших скоро­стях— до 100 километров в час — самолёт почти непри­годен для использования. В этом случае с успехом может применяться только вертолёт.

Вертолёт будет широко использоваться для системати­ческого наблюдения за нефте - и газопроводами (напри­мер, на трассе Саратов — Москва) и высоковольтными линиями электропередач.

Эта машина найдёт применение для несения патруль­ной службы по борьбе с лесными пожарами и для ледовой разведки в северных районах.

Вертолёт пригоден для проведения геологических раз­ведок, поисков лежбищ морского зверя и косяков рыб в открытом море. В морских условиях вертолёт может стар­товать и садиться прямо на палубу даже небольшого судна.

Вертолёт окажет неоценимую помощь в борьбе с сель­скохозяйственными вредителями, особенно в горных райо­нах наших субтропиков, где самолёт совершенно неприго­ден. Значительную пользу принесёт вертолёт при опрыски­вании с воздуха небольших садов и огородов, при подкормке посевов и т. п.

С вертолёта удобнее, чем с самолёта, производить аэрофотосъёмку.

Таким образом, вертолёты могут оказать большую по­мощь при составлении карт местности. После окончании строительства Волго-Донского судоходного канала имени В. И. Ленина это замечательное сооружение было сфото­графировано с вертолёта.

Для ведения нашего планового хозяйства важную роль играет чётко налаженная служба погоды. Своевременное составление краткосрочных и долгосрочных прогнозов по­годы требует исключительной оперативности от синопти­ков [31]). Вертолёты могут оказать огромную помощь разбро­санным по всей стране метеорологическим станциям Цен­трального института прогнозов в их сложной работе по ежедневному составлению общей карты погоды СССР. Небольшие одноместные вертолёты, оборудованные метеорологической аппаратурой, автоматически запи­сывающей данные о состоянии атмосферы, обеспечат синоптиков необходимыми сведениями (давление, тем­пература и влажность воздуха, высота облачности и т. д.).

Способность вертолёта перемещаться с небольшими скоростями и даже совсем медленно, «шагом», позво­ляет использовать его для спасательных работ даже в нелётную погоду, когда самолётам взлетать очень рискованно.

Сквозь слепящий снеговой шторм и густой туман, дви­гаясь «наощупь», вертолёт сможет пробиться к терпящему бедствие кораблю. Этот «небесный тихоход» уже не раз участвовал в спасательных операциях, когда все другие средства, в том числе и самолёт, нельзя было применить из-за сложной метеорологической обстановки или из-за невозможности приземлиться.

Вот что произошло однажды в Арктике.

...На далёкой полярной станции Шелаурова тяжело за­болела женщина. Она нуждалась в неотложной медицин­ской помощи. Об этом сразу же радировали на Большую Землю.

Больную следовало срочно доставить в бухту Тикси. Но от полярной станции Шелаурова, расположенной на од­ном из островов Ляхова в северо-восточной части Ледови­того океана, до бухты Тикси, где находится больница,— сотни километров трудного морского пути. Состояние больной не позволяло вывезти её на корабле. Использо­вать самолёт также не представлялось возможным. Мыс острова, на котором разместилась полярная станция,— сплошная скала с нагромождёнными на ней каменными обломками, и даже лёгкому самолёту негде призем­литься.

Из Тикси вылетел вертолёт. Преодолев сотни кило­метров над морем Лаптевых, он совершил посадку на маленькой площадке у здания полярной станции. Взяв на борт машины больную, пилот пустился в обратный рейс. В тот же день заболевшая женщина была доставлена в больницу.

Можно привести и другие примеры использования вер­толёта, свидетельствующие об исключительных возмож­ностях этой поистине замечательной машины.

...Местный житель Чукотки, промышлявший зверя у берегов, преследовал медведя. Внезапно льдина, на кото­рой находился охотник, оторвалась от берега. Катера по­близости не оказалось. А льдину уносило ветром в откры­тое море. Она была настолько мала, что о посадке само­лёта на ней не могло быть и речи. Охотнику угрожала гибель. Оставалось одно средство — вертолёт. Пилот, по­сланный на выручку, быстро обнаружил охотника, лежав­шего на небольшой тонкой льдине. Но спустить на неё машину нельзя: тяжести вертолёта она не выдержит. И пилот принимает смелое решение. Он снижает ма­шину и «повисает» над самой льдиной. Затем выбрасы­вает из кабины верёвку. Охотник ухватил её и не­сколько раз обвил вокруг себя. Вертолёт поднялся выше, пролетел некоторое расстояние и осторожно призем-

Рис. 26. Вертолёт конструкции М. Л. Миля над дрейфующей научно - исследовательской станцией «Северный Полюс-3» (1954 год).

Лился на другой льдине — большой и надёжной. Охот­ник забрался в кабину и вскоре был доставлен в родной посёлок.

Ещё не так давно возможность систематической эксплуатации вертолётов в суровых условиях Севера ста­вилась под сомнение. Советские лётчики доказали, что эти замечательные машины могут эксплуатироваться в любых климатических условиях, под любыми широтами. Так, на­пример, на дрейфующих научно-исследовательских стан­циях «Северный Полюс-3» и «Северный Полюс-4», выса­женных на льдах Северного Ледовитого океана высокоши­ротной воздушной экспедицией 1954 года, имеются не только тракторы и автомобили-вездеходы, но и вертолёты. Винтокрылые машины помогают сотрудникам полярных станций выполнять обширную программу научных наблю­дений (рис. 26) Вертолёт всегда готов подняться в воз­дух и в случае появления угрожающих трещин и разво­дий может перевезти людей и оборудование в безопасное место.

Не исключается возможность использования вертолёта и в условиях военного времени. Вертолёт обеспечит на­дёжную связь между штабами и воинскими соединениями, особенно во время наступления, при частых перебазиро­ваниях, когда трудно найти подходящий полевой аэро­дром. Вертолёт на войне — это армейский разведчик и артиллерийский корректировщик, охотник за подвод­ными лодками противника и надёжное средство связи с десантными отрядами, заброшенными во вражеский тыл. Группа достаточно грузоподъёмных вертолётов может быть с успехом использована для проведения воздушно - десантных операций независимо от характера и профиля местности.

Бесшумный военный вертолёт — это ночной лёгкий бомбардировщик ближнего действия, особенно пригодный для нанесения бомбового удара по важным, но неболь­шим по площади целям, например по мостам, складам, штабам и т. п., возможность попадания в которые весьма затруднена для самолёта из-за его большой скорости.

Вертолёт может нести охранную службу на море при сопровождении караванов судов. Атака вертолёта на под­водную лодку противника намного действеннее, чем напа­дение самолёта, так как вертолёт может сравнять свою скорость со скоростью подводной лодки. Точно так же вертолёту значительно легче поразить автомашину, танк или бронепоезд врага, чем самолёту. Неоценимую помощь военно-медицинской службе окажет санитарный вертолёт, подбирающий тяжело раненных прямо на поле боя и спа­сающий утопающих в районе морского сражения. В мир­ные дни военный вертолёт может с успехом применяться для несения патрульной службы по охране сухопут­ных и морских границ.

Летом 1954 года на параде в День Воздушного Флота СССР сотни тысяч зрителей, собравшихся на Тушинском аэродроме под Москвой, увидели интересную картину: вы­садку воздушного десанта с тяжёлых транспортных вер­толётов.

«Третье отделение парада открывают вертолёты,— со­общала на следующий день газета «Правда».— Они за­полняют всё воздушное пространство над широким полем аэродрома. 36 вертолётов производят посадку — опуска­ются сверху вертикально.

Присутствующие наглядно убеждаются, какая маленькая площадка нужна для приземления этих ори­гинальных, сильных, способных поднять большой груз машин.

Как только вертолёты коснулись колёсами земли, рас­крываются широкие дверцы, выбегают солдаты. Пока они быстро выкатывают из одних вертолётов пушки, к ним уже спешат автомобили-тягачи, своим ходом выехавшие из других вертолётов.

Восхищаясь слаженностью действий лётчиков и десант­ников, которыми командует полковник Ерофеевский, зри­тели наблюдают, как мгновенно прицепляются орудия к тягачам, как ловко вскакивают в их кузова десантники. Высадку десанта надёжно прикрывает несколько звеньев реактивных истребителей.

Снова заработали на полную мощность двигатели вер­толётов. Машины вертикально поднимаются вверх и строем покидают аэродром».

Высадка механизированного десанта одновременно из тридцати шести винтокрылых машин показала, какой вы­сокой боевой выучкой обладают советские десантные войска.

В один из праздников, посвящённых Дню Военно - Морского Флота СССР, на одноместных вертолётах конструкции Н. И. Камова морские лётчики опуска­лись на воду, совершали посадку на плоты площадью около пяти квадратных метров, взлетали с них, дого­няли быстро идущие боевые корабли и опускались на их палубы.

Гвардии полковник Ф. Прокопенко рассказывает:

«Лётные качества вертолёта таковы, что он почти не подвержен „болтанке". Это очень важно для перевозки больных. Не так давно врачи обратились к нам за по­мощью. Тяжело больного нужно было срочно доставить в один из госпиталей. Больной, бывший офицер Советской Армии, Герой Советского Союза, очень тяжело переносил поездки в автомашине. Любой толчок вызывал страшные боли. Поездка в поезде также не устраивала. Предложили полететь на вертолёте. На специальных амортизаторах в кабине были подвешены носилки. Когда полёт был закон­чен, больной сказал: „Я чувствовал себя прекрасно. Даже не заметил, когда отделились от земли. В воздухе мне ка - залось, словно я нахожусь в постели. Спасибо вам, друзья"».

Из всего рассказанного здесь ясно, что вертолёт и са­молёт не исключают друг друга и не конкурируют между собой. Оба они важны, у каждого из них — свои задачи. В авиации они дополняют друг друга и успешно исполь­зуются каждый в своей области.

СОДЕРЖАНИЕ

TOC o "1-3" h z Введение........................................................................................................ 3

1. Из истории вертолёта................................................................................ 3

2. Сопротивление воздуха................................................................... 6

3. Подъёмная сила....................................................................................... И

4. Винт вместо крыла.................................................................................. 16

5. Вертолёт в воздухе.................................................................................. 20

6. Устройство вертолёта............................................................................ 23

7. Автомат перекоса............................................................................ 27

8. Рулевой винт.......................................................................................... 34

9. Советские вертолёты....................................................................... 37

J0. Полёт на вертолёте........................................................................... 41

11. Применение вертолёта........................................................................... 46

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

«ГОСТЕХИЗДАТ» МОСКВА, В-71, Б. КАЛУЖСКАЯ, 15

ГОТОВЯТСЯ к ПЕЧАТИ

В серии «Научно-популярная библиотека»:

М. Ф. Иванов и Г. В. Бялобжеский, Искусственные камни. А, В. Чуйко, Необыкновенный камень. Ю. М. Богданов, Наука о прочности.

В серии «Научно-просветительная библиотека»:

Проф. Р. В. Куницкий, Было ли начало мира. Проф. Б, А. Воронцов-Вельяминов, Происхождение небесных тел.

Проф. Р. В, Куницкий, День и ночь. Времена года. Г, А. Аристов, Солнце.

Н. Г. Новикова, «Необыкновенные» небесные явления. Е. JI. Кринов, Небесные камни. Проф. Г. П. Горшков, Строение земного шара. Проф. В. И, Громов, Из прошлого Земли.

Цена 86 коп.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИ КО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

Вып. 50. Ф. И'. ЧЕСТНОВ. Радиолокация. Вып. 51. Проф. К. К. АНДРЕЕВ. Взрыв. Вып. 52. Д. А. КАТРЕНКО. Чёрное золото. Вып. 53. Г. А. АРИСТОВ. Солнце. Вып. 54. К. Б. ЗАБ0РЕНК0. Радиоактивность. Вып. 55. А. Ф. БУЯНОВ. Новые волокна. Вып. 56. М. А. СИДОРОВ. От лучины до электричества. Вып. 57. И. Г. ЛУПАЛО. Наука против религии. Вып. 58. А. М. ИГЛИЦКИЙ и Б. А. СОМОРОВ. Как печа­тают книги. Вып. 59. В. К. ЩУКИН. Штурм неба. Вып. 60. А. Ф. ПЛОНСКИЙ. Пьезоэлектричество. Вып. 61. Ф. Д. БУБЛЕЙНИКОВ. Земля. Вып. 62. С. А. МОРОЗОВ. По суше, воде и воздуху. Вып. 63. Г. И. БУШИНСКИЙ. Происхождение полезных Ископаемых.

Вып. 64. А. В. ЧУЙКО. Необыкновенный камень.

Вып. 65. А. П. ЛЕБЕДЕВ и А. В. ЕПИФАНЦЕВА. О чём

Рассказывают камни. Вып. 66. Проф. К. Ф. ОГОРОДНИКОВ. Сколько звёзд на Небе.

Вып. 67. Проф. Н. С. КОМАРОВ. Искусственный холод. Вып. 68. Проф. С. К. ВСЕХСВЯТСКИЙ. Как познавалась Вселенная.

Вып. 69. Проф. В. Т. ТЕР-0ГАНЕ30В. Солнечные за­тмения.

Вып. 70. Ф. И. ЧЕСТНОВ. Загадка ионосферы. Вып. 71. В. Д. ЗАХАРЧЕНКО. Мотор. Вып. 72. В. А. ЛЕШКОВЦЕВ. Атомная энергия. Вып. 73. А. Ф. ПЛОНСКИЙ. Радио. Вып. 74. В. А. ПАРФЁНОВ. Редкие металлы. Вып. 75. Ф. М. ИВАНОВ и Г. В. БЯЛОБЖЕСКИЙ. Искус­ственные камни.

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

Л. К. БАЕВ и И. А.МЕРКУЛОВ

Самолет - ракета

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

ВЫПУСК 39

Л. К. БАЕВ и И. А. МЕРКУЛОВ

САМОЛЁТ-РАКЕТА

(РЕАКТИВНАЯ АВИАЦИЯ)

Издание третье. переработанное

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ГЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

МОСКВА 1956

16-2-1

СОДЕРЖАНИЕ

TOC o "1-3" h z Введение........................................................................................................ 3

Борьба за скорость полёта..................................................................... 3

Как работает реактивный двигатель................................. , . . 6

Двигатель больших скоростей....................................................... 8

Рождение реактивной техники............................................................... 9

Жидкостные реактипныр двигатели. ............................................ 12

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели................................... 15

Турбореактивные двигатели.......................................................... 19

За звуковым барьером. ....................................................................... 25

Первые полёты реактивных самолётов........................................... 29

Реактивные самолёты наших дней........................................................ 34

Самолёты-автоматы............................................................................. 48

Атомная энергии в авиации................................................................. 52

Заключение............................................................................................ 55

Лев Константинович Баев и И? прь Алексеевич Меркулов Самолс! ракета. Редактор А Ф Плонский

Слано в набор 17/Х 1955 г Подписано к печати 20/XII 1<Г>5 г. Бумага 81 X 108'/32. Физ печ. л 1,75 Условн печ л 2,87. Уч изл л 2.83 Тираж 150 000 экз. Т-08450. Цена книги S5 коп Заказ № 884

Государственное издательство гехнико теоретической литературы. Москва. В-71, Б Калужская, 15

3-я типография «Красный пролетарии» Главполиграфпрома Министерства культуры СССР. Москва, Краснопролетарская, 16.

Oi

ВВЕДЕНИЕ

Рщё недавно единственным типом двигателя, применяю - щимся в авиации, был поршневой мотор внутреннего сгорания. Двигатели, работающие по такому принципу, мы видим на автомобилях, тракторах, теплоходах, моторных лодках [32]). В последние годы в авиации, особенно военной, широко внедряются двигатели нового типа — реактивные.

Что нового вносит в авиацию реактивная техника? Как работает реактивный двигатель? Почему он обеспечивает небывалую скорость полёта? Чем отличается полёт реак­тивного самолёта от обычного? Десятки подобных вопро­сов возникают у многих при виде серебристого самолёта без винта, стремительно пролетающего в воздухе.

Реактивная авиационная техника получает в нашей стране всё большее распространение. Об успехах в этой области техники, о её особенностях и путях развития рас­сказывает наша книга.

БОРЬБА ЗА СКОРОСТЬ ПОЛЕТА

С

Корость — вот что прежде всего отличает воздушный транспорт от всех других видов сообщений. В настоя­щее время созданы самолёты, которые летают быстрее звука. Это — громадная победа науки и техники. Чтобы одержать эту победу, надо было преодолеть немалые труд­ности.

Главным препятствием для увеличения скорости полёта является сопротивление, оказываемое воздухом движению самолёта. С увеличением скорости сопротивление воздуха непрерывно возрастает. А чем оно больше, тем большая мощность необходима, чтобы его преодолеть.

Поэтому борьба за скорость полёта — это прежде всего борьба за повышение мощности авиационных двигателей.

Перед первой мировой войной, на заре развития авиа­ции, самолёты летали со скоростью порядка 100 км/час. В 1940 году один из лучших в то время советских самолё­тов-истребителей МИГ-3 развивал скорость до 630 км/час.

Такого роста скорости удалось добиться благодаря уве­личению мощности авиационных двигателей в 20—25 раз.

Не менее важную роль в развитии скоростной авиации сыграли работы по улучшению внешней формы самолётов.

Изучением сил, возникающих при движении в воздухе различных тел, занимается наука, называемая аэродина­микой. Основоположником этой науки является русский учёный Н. Е. Жуковский, которого В. И. Ленин назвал отцом русской авиации.

Учёные установили, что сила сопротивления воздуха за­висит от размеров и формы движущегося тела, от плот­ности воздуха и скорости движения. При этом сопротивле­ние воздуха растёт пропорционально квадрату скорости полёта. Следовательно, сила тяги, обеспечивающая движе­ние самолёта, также должна расти пропорционально квад­рату скорости полёта. Таким образом, чтобы повысить ско­рость самолёта, например, вдвое, необходимо увеличить тягу его двигателя в четыре раза.

Мощность, потребная для движения самолёта, равна произведению силы тяги на скорость. Отсюда следует, что мощность растёт пропорционально кубу скорости.

Поэтому для повышения максимальной скорости, например, двухмоторного пассажирского самолёта с 400 км/час до 800 км/час необходимо увеличить мощность его двигателей в 8 раз. И если такой самолёт имел общую мощность двигателей порядка 2 тысяч лошадиных сил, то для повышения его максимальной скорости вдвое (без из­менения форм и веса самолёта) потребуется моторная установка мощностью в 16 тысяч лошадиных сил.

Но этого мало. Увеличение мощности вызывает возра­стание веса силовой установки. Современный авиационный
двигатель поршневого типа с воздушным винтом и вспо­могательными агрегатами — так называемая винтомотор­ная установка — имеет вес примерно 0,5 кг на каждую лошадиную силу. Это — так называемый удельный вес силовой установки. Следовательно, увеличение мощности двигателей с 2 тысяч до 16 тысяч лошадиных сил вызовет повышение их веса с 1 г до 8 г. Но это требует увеличения площади крыльев и оперения, а увеличение размеров ле­тательного аппарата приведёт к росту сопротивления воз­духа. Таким образом, придётся ещё больше повышать мощность силовой установки.

Расчёты показывают, что для удвоения скорости по­лёта необходимо повышать мощность поршневых двига­телей в 15—20 раз. Соответственно возрастает и расход горючего.

Ясно, что такой самолёт оказался бы чрезмерно доро­гим и неэкономичным. Вот почему, несмотря на стремление повысить скорость полёта, ни у одного пассажирского са­молёта с поршневым двигателем она не достигала 800 км/час.

Дальнейшее увеличение скорости — ещё более трудная задача. По мере приближения скорости полёта к скорости звука [33]) сопротивление воздуха начинает возрастать всё сильнее. При этом мощность, потребная для движения самолёта, растёт уже не пропорционально кубу скорости, а ещё более резко.

Борьба за скорость побудила совершать полёты на больших высотах.

5

Известно, что с высотой плотность воздуха непрерывно уменьшается. На высоте 12 км она в четыре раза меньше, чем на уровне моря, а на высоте 32 км — в 100 раз. Следо­вательно, с увеличением высоты полёта уменьшается со­противление воздуха. Поэтому при увеличении высоты по­лёта мощность, требуемая для движения самолёта, будет возрастать с повышением скорости медленнее. Например, самолёту, летящему у поверхности земли со скоростью 500 км/час, для полёта со скоростью 1000 км! час на вы­соте 12 км потребуется увеличить мощность двигателя не в восемь раз, как при полёте у земли, а только вдвое.

Однако создание высотной авиации оказалось очень трудным делом.

Главное препятствие заключалось в том, что поршне­вые авиадвигатели не могли развивать необходимую мощ­ность в разреженных слоях атмосферы. Поршневой двига­тель тем мощнее, чем больше горючей смеси (бензина, смешанного с воздухом) сгорает в нём за определённое время. А с подъёмом на высоту, где воздух разрежен, дви­гатель засасывает его всё меньше и меньше. Количество горючей смеси падает, и мощность двигателя понижается. Кроме того, в разреженных слоях атмосферы воздушный винт, вращаясь, «загребает» меньше воздуха, чем у земли. Таким образом, на большой высоте уменьшается как мощ­ность поршневого двигателя, так и тяга винта. Кроме того, коэффициент полезного действия [34]) винта высок лишь при скоростях полёта, не превышающих 800—900 км! час.

Для успешного развития скоростной авиации был не­обходим лёгкий компактный двигатель, который эффек­тивно работал бы на больших высотах и при больших скоростях полёта.

Такой двигатель был создан. Он называется реактив­ным.

КАК РАБОТАЕТ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

>от простой пример, поясняющий принцип работы реак­тивного двигателя. В закрытом сосуде находится сильно сжатый газ (рис. 1, а). Из физики известно, что в этом случае давление газа передаётся во все стороны

I

Т

* ♦ *

А) б)

Рис. 1. Как возникает сила реакции.

С одинаковой силой: око равномерно распределяется по стенкам сосуда, который при этом остаётся неподвижным.

Но стоит нам удалить одну из стенок, как сжатый газ устремится через отверстие наружу. Давление газа на про­тивоположную (по отношению к отверстию) стенку уже не будет уравновешиваться, и сосуд начнёт двигаться (рис. 1, б). Это — действие так называемой силы реакции (слово реакция в переводе с латинского языка означает «противодействие»).

С подобным явлением мы сталкиваемся, например, при выстреле из огнестрельного оружия. Каждому, кто стрелял из ружья или пистолета, известно действие отдачи. В мо­мент выстрела пороховые газы с огромной силой равно­мерно давят во все стороны. Давление пороховых газов на пулю выбрасывает её из орудия, а давление их на дно гильзы является причиной отдачи.

На таком принципе и основана работа реактивных дви­гателей.

Основная часть реактивного двигателя — камера сго­рания. В одной из её стенок имеется отверстие для выхода газа. Для увеличения скорости и более плавного вытека­ния газа к отверстию присоединено сопло — труба, рас­ширяющаяся к наружному концу (рис. 2).

Рис. 2. Камера сгорания.

Все тепловые двигатели — паросиловые установки, поршневые двигатели внутреннего сгорания, газовые тур­бины и реактивные двигатели — используют энергию, вы­деляющуюся при химических превращениях.

Тип двигателя определяется тем, каким путём расшире­ние газа преобразуется в нём в полезную работу, какие механизмы воспринимают давление газа.

7

В двигателях поршневого типа давление газов воспри­нимается, как известно, поршнем. Движение поршня через шатун передаётся коленчатому валу, который, в свою очередь, вращает какой-нибудь механизм: воздушный

2*
винт самолёта, гребной винт парохода, колёса автомобиля, гусеничную цепь трактора. Такой механизм называется движителем. Взаимодействуя с окружающей средой — воздухом, водой или землёй,— движитель создаёт силу тяги, необходимую для движения.

Иное дело — двигатель реактивный. Здесь давление газа на стенки камеры само по себе без каких-либо проме­жуточных механизмов создаёт силу тяги, необходимую для движения аппарата, на котором установлен реактив­ный двигатель.

В сосуде, изображённом на рис. 1, трудно создать боль­шое давление, поскольку отверстие слишком велико и газ свободно вытекает через него. В реактивных же двигате­лях ширина отверстия для выхода газов значительно мень­ше диаметра самой камеры.

Силу тяги реактивного двигателя легко измерить с по­мощью специального прибора — динамометра, устроенного наподобие пружинных весов.

Определить силу тяги можно и путём расчёта. Она чис­ленно равна произведению массы газов, вытекающих из сопла двигателя за одну секунду, на скорость истечения.

ДВИГАТЕЛЬ БОЛЬШИХ СКОРОСТЕЙ

Р

Еактивный двигатель — это двигатель больших скоро­стей.

Рассмотрим для примера реактивный двигатель весом в 100 кг. Ежесекундно в нём сгорает до 15 кг жидкого топлива. При этом газы вытекают из сопла со скоростью порядка 2000 м/сек.

Расчёты показывают, что тяга такого двигателя равна примерно 3000 кг и остаётся постоянной при любой ско­рости полёта.

Какова же его мощность?

Мощность реактивного двигателя зависит от скорости полёта. Чем быстрее летит самолёт, тем большую мощ­ность развивает его реактивный двигатель.

При скорости полёта 900 км/час полезная мощность двигателя составит 10 000л. с. А на самолёте, летящем со скоростью 2700 км/час, этот же двигатель разовьёт мощность 30 000 л. с. Значит, чем быстрее полёт, тем эффективнее реактивный двигатель.

Коэффициент полезного действия реактивных лета­тельных аппаратов растёт с увеличением скорости полёта и достигает максимальной величины, когда скорость по­лёта становится равной скорости истечения газов из сопла реактивного двигателя.

В современных реактивных двигателях, работающих на жидком топливе, скорость истечения продуктов сгора­ния достигает 2500 ж! сек (9000 км/час). Следовательно, коэффициент полезного действия реактивной установки будет наибольшим при такой же скорости полёта. С даль­нейшим увеличением скорости полёта коэффициент полез­ного действия реактивного двигателя начинает снижаться, но очень незначительно.

Развивая при больших скоростях полёта колоссальные мощности, реактивный двигатель по своему весу во много раз легче поршневых авиационных двигателей.

Как ведёт себя реактивный двигатель на больших вы­сотах?

Чтобы создать тягу, реактивному аппарату не нужно отталкиваться от воздуха. Он движется благодаря реак­ции вытекающих из его сопла газов. Давление газа в ка­мере реактивного двигателя зависит от количества расхо­дуемого топлива и от сечения сопла; от внешнего же дав­ления оно не зависит. Значит, при подъёме на большие высоты, где воздух разрежен, давление газа внутри ка­меры реактивного двигателя останется неизменным, в то время как давление воздуха снаружи будет убывать. Раз­ница давлений внутри камеры и снаружи возрастёт, в соот­ветствии с этим увеличится и тяга реактивного двигателя. Следовательно, с подъёмом на высоту эффективность реактивных двигателей не только не уменьшается, но даже несколько увеличивается.

Таким образом, реактивный двигатель полностью отве­чает тем основным требованиям, которые предъявляет к двигателям современная авиация.

РОЖДЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ ТЕХНИКИ

П

Ростейший реактивный двигатель — это всем известная

Пороховая ракета.

Упоминания о пороховых ракетах встречаются в исто­рии разных народов. Ещё свыше двух тысяч лет назад

Китайцы, первые изобретатели пороха, успешно применяли «огненные стрелы» — боевые ракеты — в боях с неприя­телем, при осаде укреплений. Эти ракеты своими огнен­ными хвостами и шумом наводили страх на вражеские войска и нередко обращали их в бегство. Использовали китайцы и зажигательные ракеты, которыми стреляли из луков.

Начиная с XVII века, пороховые ракеты широко приме­нялись в России. В XVIII веке в Индии имелись особые ракетные части, вооружённые боевыми ракетами. У инду­сов идею реактивного оружия переняли англичане. В XIX веке боевые ракеты уже широко применялись в раз­ных странах Европы.

Родившаяся как боевое оружие, ракета прошла долгий и сложный путь развития, прежде чем стала мощным авиационным двигателем сегодняшнего дня. Можно ска­зать, что реактивный двигатель одновременно и старше поршневого мотора внутреннего сгорания и моложе его. Старше — потому, что ракета, простейший реактивный двигатель, изобретена задолго до поршневого мотора. Мо­ложе — потому, что реактивные двигатели, способные обеспечить полёт самолёта, появились всего 10—15 лет назад.

Идею использования реактивного двигателя для полё­тов одним из первых наиболее чётко разработал и обосно­вал революционер-народоволец Н. И. Кибальчич. Нахо­дясь в заточении, приговорённый к смертной казни, он по­святил последние дни своей жизни разработке проекта ра­кетного летательного аппарата. Проект Кибальчича был замурован в архивах полицейского ведомства, где проле­жал до 1917 года. Впервые этот проект был полностью опубликован в 1918 году в журнале «Былое».

В XIX веке немало и других изобретателей стремилось приспособить реактивный двигатель для летания. Но прак­тическое применение этих двигателей для полёта человека натолкнулось на большие трудности. Не было ещё научной теории, которая могла бы помочь создать лёгкий, мощный и надёжный реактивный двигатель.

Основы этой теории были заложены трудами замеча­тельного русского учёного Константина Эдуардовича Циолковского. В августе 1898 года скромный, ещё никому неизвестный калужский учитель, он сделал первые в

Мире расчёты реактивного двигателя. Спустя пять лет, в 1903 году, в журнале «Научное обозрение» был опубли­кован выдающийся труд Циолковского, открывший новую эру в развитии русской и мировой техники — «Исследо­вание мировых пространств реактивными приборами». В этом труде учёный теоретически доказал возможность полёта на ракетах не только в воздухе, но и в безвоздуш­ном мировом пространстве.

Математически исследовав полёт ракеты, Циолковский вывел формулу её движения. Он получил уравнение, кото­рое описывает физическое явление — полёт ракеты — точ­ным языком математики. Из этого уравнения следует, что скорость, а следовательно, и дальность полёта ракеты тем больше, чем быстрее поток газов, вытекающих из реактив­ного двигателя, и чем большую часть общего веса ракеты составляет вес топлива. Иначе говоря, секрет быстроты и дальности полёта ракеты — в увеличении скорости газовой струи и в уменьшении веса самой ракеты по сравнению с весом топлива.

В прошлом топливом для ракет служил порох, который сгорает чрезвычайно быстро, но выделяет сравнительно не­много энергии. Циолковский предложил использовать бо­лее эффективные жидкие топлива и создал проект ракеты, двигатель которой работает на жидком топливе. Он раз­работал систему непрерывного питания двигателя жидким топливом и способ надёжного его охлаждения. Им были разрешены все главнейшие вопросы устройства реактив­ных аппаратов.

Ученик и последователь Циолковского профессор А. А. Космодемьянский справедливо сказал: «Идея приме­нения ракеты для решения научных проблем, использова­ние реактивного принципа для создания движения меж­планетных кораблей целиком принадлежит Циолковскому. Он родоначальник современных жидкостных ракет даль­него действия, один из создателей новой главы теоретиче­ской механики».

Значительный вклад в теорию реактивного движения внёс основоположник теории авиации Н. Е. Жуковский. В своей статье «О реакции вытекающей и втекающей жидкости», опубликованной ещё в 1882 году, он впервые в науке вывел формулу для определения силы реакции струи жидкости. В своих последующих работах учёный подробно исследовал реакцию истекающей жидкости и вывел фор­мулу, позволяющую рассчитывать коэффициент полезного действия струи.

Вопросами теории реактивного движения занимались и зарубежные учёные. В 1913 году был опубликован ценный теоретический труд по реактивному движению француз­ского учёного Пельтри. Широко известны работы амери­канского профессора Годдарда, опубликовавшего в 1919 году книгу о достижении больших высот с помощью реактивных аппаратов, и немецкого учёного Оберта.

Особенно широко развернулись работы по теории реак­тивного движения в последние десятилетия. Исключи­тельно плодотворным был советский период жизни и дея­тельности Циолковского. С 1917 по 1935 год (год смерти учёного) он опубликовал в четыре раза больше научных работ, чем за весь дореволюционный период своей деятель­ности. Циолковский стал учителем многих советских учё­ных и инженеров, посвятивших себя реактивной технике.

ЖИДКОСТНЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Т

Руды К. Э. Циолковского явились теоретической ба­зой для развития всей современной реактивной тех­ники. На основе его работ в настоящее время созданы реактивные двигатели, работающие на жидком топливе — так называемые жидкостные реактивные двигатели (ЖРД).

Эти двигатели, особенно в первые годы работы над ними, предназначались в первую очередь для установки на ракетах. Поэтому их часто называют ракетными двига­телями.

Главной частью ЖРД служит камера сгорания (рис. 3). В ней горючее вступает в химическую реакцию с окисли­телем. При этом выделяется большое количество тепла, которое идёт на нагревание и расширение продуктов сго­рания. Чем больше объём образовавшихся при горении газов и чем выше их температура, тем большую силу тяги способен развить реактивный двигатель.

Горючее и окислитель для ЖРД принято называть од­ним словом: топливо. Первое требование к топливу— чтобы при сгорании оно выделяло наибольшее количество тепла. Крайне важна для авиационного ЖРД также плот­
ность топлива. Чем она выше, тем больше (по весу) топлива вместят баки и тем больше будет дальность по­лёта. Кроме того, топливо должно быть пригодно для охлаждения двигателя и не разъедать его деталей.

Наиболее подходящее горючее для ЖРД — керосин, спирт, гидразин; при сгорании они выделяют много тепла, дешёвы и просты в употреблении.

В качестве окислителя в реактивных двигателях часто употребляется жидкий кислород. Он недорог, но чтобы

Горючее

Охмашдающая рубашка

Сопло

Номера сгорания

Рис. 3. Камера сгорания жидкостного реактивного двигателя.

Направле­ние вы- Хода F реантив 'ной струи

Сохранить этот окислитель на самолётах в жидком виде, его приходится держать в баках при температуре ниже минус 180° С. Применяются и другие окислители: азотная кислота и перекись водорода (они богаты кислородом).

В зависимости от вида топлива и режима работы тем­пература в камерах реактивных двигателей может дости­гать 4000° С. Поэтому стенки камеры и сопла необходимо охлаждать. Для этой цели чаще всего используется само горючее. Прежде чем попасть в камеру, оно проходит по рубашке сопла и камеры и охлаждает их стенки с внешней стороны.

13

В камере ЖРД давление газов составляет обычно не менее 20—30 атмосфер. Поэтому подавать в неё жидкое топливо следует под давлением 40—50 атмосфер. Проще всего это делать с помощью сжатого газа, который из спе­циального баллона впускается в баки с топливом и вытес­няет горючее и окислитель через трубопроводы питающей системы в камеру сгорания.

3 Самолёт-ракета

Другой способ питания ЖРД сложнее, но совершеннее. В систему подачи топлива включены высокопроизводи­тельные насосы, которые создают необходимый напор горючего и окислителя перед поступлением их в камеру сгорания. Насосы приводятся в действие специальной турбиной. При этом стенки баков с горючим и окисли­телем не испытывают такого высокого давления, как при подаче топлива с помощью сжатого газа. Это позво­ляет уменьшать вес баков и увеличивать количество топлива.

Очень ответственный момент в работе реактивного двигателя — его запуск. Советские учёные предложили надёжный способ зажигания — применение самовоспламе­няющихся смесей.

Работы по созданию ЖРД начались ещё в 30-х годах. Первые жидкостные реактивные двигатели в нашей стране были построены и успешно испытаны энтузиастом ракетной техники инженером Ф. А. Цандером.

В начале 30-х годов состоялся ряд удачных полётов сконструированной советским инженером М. К. Тихонраво - вым метеорологической ракеты с жидкостным реактивным двигателем. В 1935 году ракета М. К. Тихонравова до­стигла десятикилометровой высоты. Хорошие результаты показал двигатель для метеорологической ракеты, по­строенный в 1936 году по проекту А. И. Полярного [35]).

В Германии в 1931 году состоялись испытания ракет Винклера, Риделя и других немецких конструкторов. В США первые работы по испытанию ЖРД в те же годы проводил профессор Годдард.

В результате многолетних работ по созданию ЖРД эти двигатели достигли высокого совершенства. Совре­менный жидкостный реактивный двигатель, имея вес не­многим более ста килограммов, развивает тягу до 10 тонн. Это значит, что при полёте со скоростью 5 тысяч км]час Он способен развить полезную тяговую мощность около 200 тысяч лошадиных сил. На каждый килограмм веса такого двигателя придётся около 2000 л. с.— в тысячу раз больше, чем у лучших поршневых моторов с воздуш­ным винтом!

ПРЯМОТОЧНЫЕ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

С

Амолёты с ЖРД могут развивать огромные скорости, недостижимые для самолётов с реактивными двига­телями других типов. Однако для работы ЖРД необхо­димо очень много окислителя; это обременяет реактивный самолёт тяжёлым грузом и сильно снижает продолжи­тельность и дальность его полёта. Поэтому перед учё­ными и конструкторами встала задача создать такой двигатель, который не требовал бы для своей работы запасов окислителя, а использовал кислород окружаю­щего воздуха.

И такие двигатели были созданы. В 1929 году совет­ский учёный проф. Б. С. Стечкин (ныне академик) раз­работал теорию реактивных двигателей, использующих в качестве окислителя атмосферный воздух. Эти двига­тели получили название воздушно-реактивных двигателей, или, сокращённо, ВРД.

3

15

Познакомимся с простейшей схемой такого двига­теля (рис. 4). ВРД представляет собой удобообтекаемое

Схема прямтомога ВРД для ёогдумбой C/Fopocmi/ полёта >Да6леше Сяо/юст Рис. 4. Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя для дозвуковой скорости полёта. Внизу показано изменение давления и скорости газа внутри двигателя.

Сигарообразное тело со сквозным каналом, по которому движется воздушный поток. Для работы двигателя

Необходимо, чтобы давление в его камере было больше атмосферного. Поэтому поступающий в камеру сгорания воздух должен быть предварительно сжат. Сжатие осуще­ствляется здесь без помощи компрессора (устройства для сжатия воздуха).

Ещё в XVIII веке членом Петербургской Академии наук Даниилом Бернулли был открыт важный физи­ческий закон, говорящий о том, что при движении жидкости или газа по расширяющемуся каналу с умень­шением скорости струи давление газа (жидкости) по­вышается.

Входящая в ВРД струя воздуха направляется в ка­меру сгорания по расширяющемуся каналу, так назы­ваемому диффузору. Чем больше скорость входящего воздуха, тем выше давление в конце диффузора. При скорости 1000 км/час это давление ещё очень незначи­тельно— всего 1,5 атмосферы, что совершенно недоста­точно для эффективной работы двигателя. Но уже при скорости полёта 2000 км/час оно может быть доведено до 5 атмосфер.

Когда самолёт, на котором установлен ВРД, движется со скоростью, меньшей скорости звука, давление в струе воздуха начинает увеличиваться ещё впереди двигателя и затем продолжает постепенно возрастать вдоль всего диффузора. При полёте со сверхзвуковой скоростью кар­тина сжатия воздуха резко меняется. Исследования пока­зали, что при входе в двигатель скорость сразу, скачком, становится меньше скорости звука, а давление также скачком возрастает на несколько атмосфер.

Сжатый в диффузоре воздух поступает в камеру сго­рания. Здесь в воздушную струю впрыскивается горючее. Тепло, выделяющееся при сжигании горючего, идёт на на­гревание воздуха. При этом объём воздуха сильно увели­чивается. Поток газов, образовавшихся при горении, с большой скоростью устремляется через сопло наружу. Чем выше температура в камере, тем сильнее расши­ряются газы и тем больше становится скорость их исте­чения.

В камерах ВРД рассматриваемого типа температура достигает 2000—2500° С. Проходя через камеру, воздух расширяется в 4—6 раз. И примерно во столько же раз увеличивается скорость его в конце камеры.

Из камеры газы поступают в сопло. Чтобы весь объём газов прошёл через суженное отверстие сопла, скорость газов должна возрасти ещё больше.

Обычно скорость газов по выходе из сопла примерно в два раза превосходит скорость встречного потока воз­духа. Учёные установили, что если скорость истечения меньше звуковой, то соплу следует придать форму сужаю­щегося конуса. Если же скорость истечения больше ско­рости звука, то сопло делается сначала сужающимся, а затем расширяющимся.

На рис. 4 и 5 показано, как изменяется скорость и дав­ление газа при движении его по каналу ВРД.

Воздух свободно проходит по каналу через весь дви­гатель, никуда не сворачивая и не встречая на своём пути никаких механизмов. Поэтому двигатели такого типа по­лучили название прямоточных ВРД.

В камере сгорания такого двигателя нет дна. Тяга пря­моточного ВРД возникает в результате давления газа на стенки двигателя. Площадь выходного сечения сопла обычно значительно больше площади входного сечения диффузора. Кроме того, распределение давления по по­верхности диффузора отличается от распределения дав­ления по стенкам сопла. В результате действия всех сил давления газа на стенки прямоточного ВРД возникает сила тяги. Величина этой силы численно равна произведе­нию массы воздуха, проходящего через двигатель в 1 сек., на прирост скорости воздушной струи.

Чем больше скорость движения прямоточного ВРД, тем выше его коэффициент полезного действия: при ско­рости 1000 км/час КПД равен примерно 8—9%, а при удвоении этой скорости достигает 30%—выше, чем у поршневого авиадвигателя.

По своей конструкции прямоточный ВРД весьма прост. Передняя часть двигателя — внутренний диффузор и внешний удобообтекаемый кожух (кок) обычно изготов­ляются из лёгких сплавов. Камера сгорания и сопло сде­ланы из листовой жароупорной стали. Внутри камеры помещаются форсунки — устройства для распыления горючего, электросвеча для его воспламенения и раз­личные устройства для улучшения процесса горения. Горючее подаётся к форсункам из баков с помощью насоса.

Посмотрим, что дает авиации прямоточный ВРД. Возьмём двигатель диаметром 1 м, весящий около 400 кг.

При скорости полёта 1000 км/час такой ВРД, расхо­дуя 2 кг бензина в секунду, разовьёт тягу до 2000 кг и

ПдРД для небольшой сЗерхзйукоЗои стрости полёта ПВРД для Зол&шш сЗерхзЗуяоЗш сяорсст полёта.

■ ■ ■ Давление Сяорост Рис. 5. Схемы сверхзвуковых прямоточных ВРД (ПВРД).

Мощность до 7400 л. с. Удельный вес двигателя составит 0,054 кг! л. с.— почти в 10 раз меньше, чем у современных поршневых двигателей. Но расход бензина будет вчетверо больше.

При скорости 2000 км! час свойства прямоточного ВРД изменятся неузнаваемо. Сжигая вдвое больше горючего, двигатель создаст вчетверо большую тягу. Мощность его при этом составит около 60 ООО л. с. Удельный вес дви­гателя окажется ничтожно малым — в 70 раз меньше, чем у поршневых двигателей.

Как ведёт себя ВРД на разных высотах?

С высотой плотность воздуха падает. Поэтому при по­стоянной скорости полёта уменьшается количество про­ходящего через двигатель воздуха. Отсюда понятно, что тяга ВРД с высотой падает, но она падает несколько мед­леннее, чем плотность атмосферного воздуха. А расход горючего пропорционален плотности воздуха: ведь для нагрева меньшего количества воздуха нужно меньше го­рючего. Поэтому экономичность ВРД, которая опреде­ляется расходом горючего на единицу тяги, с подъёмом на высоту улучшается.

Как видим, прямоточный ВРД эффективен лишь на больших скоростях. При скоростях, меньших 1000 км/час, Развиваемая им тяга мала. А на месте такой двигатель совсем не даёт тяги, так как нет потока встречного воз­духа. Значит, прямоточный ВРД не может обеспечить взлёт самолёта.

Чтобы воздушно-реактивный двигатель стал более экономичным на малой скорости и смог обеспечить взлёт самолёта, надо сжимать поступающий в камеру воздух с помощью компрессора. Но на работу компрессора тре­буется затрачивать большую энергию; необходим доста­точно мощный двигатель, который приводил бы компрес­сор в действие.

Современные поршневые авиационные двигатели не годятся для этой цели: они слишком велики и тяжелы. Как же быть?

ТУРБОРЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

О современной технике широко применяются паровые турбины. Но турбина может работать не только на паре, но и на газе. Газовая турбина при малых размерах и весе развивает громадную мощность.

Русский инженер Н. Герасимов ещё в 1909 году спроектировал воздушно-реактивный двигатель, в кото­ром компрессор приводился в действие такой газовой тур­биной. Эта плодотворная идея используется во всех совре­менных компрессорных воздушно-реактивных двигателях.

Воздушно-реактивные двигатели с компрессором, при­водимым в движение газовой турбиной, получили назва­ние турбореактивных двигателей, или, сокращённо, ТРД.

В полёте встречный воздух, поступающий в ТРД че­рез переднее входное отверстие, идёт к компрессору и сжимается им в несколько раз (рис. 6). Сжатый воздух

T Направление полёта

Вход воздуха

Сопловый аппарат турбины

Истечение газовой струи

Компрессор Распределение давления и снорости вдоль канала ТРД • давление скорость Рис. 6. Схема турбореактивного двигателя. Внизу показано изменение давления и скорости газа в двигателе.

Попадает в камеру сгорания, куда впрыскивается жидкое горючее (обычно керосин). Образующиеся при сгорании этой смеси газы подаются к лопаткам газовой турбины. Диск турбины закреплён на одном валу с колесом ком­прессора. Поэтому горячие газы, проходящие через тур­бину, приводят её во вращение вместе с компрессором. Из турбины газы поступают в сопло. Здесь давление их па­дает, а скорость возрастает. Выходящая из двигателя га­зовая струя создаёт реактивную силу — тягу двигателя.

Турбореактивный двигатель способен развивать зна­чительную тягу и при работе на месте. Он может обеспе­чить взлёт самолёта. Экономичность ТРД на дозвуковых скоростях полёта намного выше, чем прямоточного ВРД.

И только на сверхзвуковых скоростях, порядка 2500 км]час, расход горючего для обоих типов двигателей становится одинаковым.

Познакомимся подробнее с конструкцией и работой отдельных элементов турбореактивного двигателя.

Компрессоры в ТРД бывают осевого и центробежного типа.

Простейший осевой компрессор представляет собой колесо с лопатками, укреплённое на валу и помещённое в канал, по которому движется воздух. При быстром вра­щении колеса лопатки, подобно лопастям вентилятора, сжимают проходящий по каналу воздух и увеличивают его скорость. Ряд неподвижных лопаток, помещаемых за рабочим колесом, выравнивает поток воздуха и снижает его скорость. При этом возрастает давление воздуха. При

Рис. 7. Ротор осевого компрессора.

Такой конструкции воздух перемещается вдоль оси ком­прессора. Отсюда и название — «осевой».

Осевой компрессор с одним рабочим колесом может поднять давление примерно в 1,3 раза. Чтобы повысить давление ещё больше, лопатки располагают несколькими рядами. Каждый ряд рабочих (вращающихся) лопаток с рядом спрямляющих (неподвижных) называется сту­пенью компрессора. Обычно применяются многоступенча­тые осевые компрессоры с числом ступеней от 8 до 16.

В таких компрессорах рабочие лопатки крепятся на отдельных дисках или на общем пустотелом валу, так на­зываемом барабане. Барабан, или диски с лопатками, на­саженные на вращающийся вал, называется ротором (рис. 7). Неподвижные спрямляющие лопатки крепятся к кожуху компрессора.

Первый турбореактивный двигатель с осевым компрес­сором в нашей стране был спроектирован в 1937 году ин­женером А. М. Люлька.

На другом принципе основан центробежный компрес­сор. Как показывает само название, здесь для сжатия воздуха используется действие центробежной силы[36]).

Центробежный компрессор состоит из насаженной на вал крыльчатки — диска с лопатками, расположен­ными на его боковой стороне, и кожуха, окружающего крыльчатку.

Воздух входит через отверстие в кожухе, подхваты­вается лопатками быстро вращающейся крыльчатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к краям. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем большее давление создаёт компрессор. Центробежные компрессоры создают давление до 4—5 атмосфер.

Коэффициент полезного действия центробежных ком­прессоров меньше, чем осевых. Однако благодаря про­стоте и малому весу центробежные компрессоры первое время широко применялись в ТРД. В последующие годы чаще стали применяться более эффективные осевые ком­прессоры. На рис. 8 показан турбореактивный двигатель с многоступенчатым осевым компрессором.

Камеры сгорания ТРД (числом от 6 до 10) обычно располагаются между компрессором и турбиной, вокруг вала двигателя. В каждой камере установлена форсунка для распыления топлива. В одной или двух камерах уста­навливаются электросвечи для воспламенения горючего и дополнительные форсунки, работающие только при запу­ске двигателя. В остальных камерах воспламенение горю­чего происходит через соединительные трубки. Благодаря непрерывному горению новые порции горючего воспла­меняются от раскалённых газов.

Температура пламени горящего керосина очень вы­сока (более 2000° С). Поэтому раскалённые газы в ка­мере ТРД смешиваются с дополнительным количеством воздуха. Чтобы сохранить высокую температуру пламени,

Рис. 8. Турбореактивный двигатель с осевым компрессором.

Необходимую для хорошего горения керосина, и значи­тельно понизить температуру газов, выходящих из ка­меры, воздух, поступающий из компрессора, разделяют на два потока. Примерно одна пятая его часть поступает в жаровую трубу, т. е. в ту часть камеры, где происходит основной процесс горения. Остальной же воздух омывает с внешней стороны стенки жаровой трубы и охлаждает их. Горячие газы, выходящие из жаровой трубы, смеши­ваются со всей массой воздуха и образуют газовоздуш­ную смесь с температурой, уже не опасной для лопаток турбины.

Турбина состоит из так называемого соплового аппа­рата и ротора. Сопловый аппарат — это ряд неподвиж­ных направляющих лопаток. Их форма подобрана так, что между ними образуются сужающиеся каналы. В этих каналах скорость газов резко возрастает. Вырывающиеся из соплового аппарата газы с огромной скоростью посту­пают на лопатки турбины и заставляют её быстро вра­щаться.

Ротор. турбины, то есть вал, соединённый с ним диск и укреплённые на ободе диска рабочие лопатки, движу­щиеся с большой скоростью в потоке раскалённых газов, делаются из лучших сортов стали и специальных жаро­стойких сплавов.

Проходя через турбину, газы отдают ей часть своей энергии. Другая её часть идёт на повышение скорости га­зов в сопле двигателя.

В полёте на малых скоростях тяга ТРД с ростом ско­рости немного уменьшается, а затем снова начинает расти до скорости примерно 2500 км! час. При скоростях по­рядка 3000 км! час тяга ТРД резко уменьшается.

С высотой тяга турбореактивного двигателя, как и прямоточного ВРД, постепенно падает. Но поскольку при полёте в разреженном воздухе самолёту требуется мень­шая тяга, чем у поверхности земли, его скорость от этого не падает, а дальность полёта значительно увеличи­вается.

С ростом числа оборотов двигателя тяга ТРД повы­шается. Но пока скорость вращения ротора не достигла примерно 1000 оборотов в минуту, мощность турбины настолько мала, что её не хватает даже для вращения компрессора, и двигатель не может работать. Чтобы за­пустить двигатель, то есть раскрутить ротор до оборо­тов, обеспечивающих самостоятельную работу ТРД, применяют небольшие вспомогательные двигатели — стартеры.

Вес турбореактивных двигателей превышает вес ЖРД и прямоточного ВРД. Но зато расход горючего у ТРД на околозвуковых скоростях во много раз меньше.

Один из современных ТРД с осевым 13-ступенчатым компрессором имеет тягу до 4500 кг. Двигатель весит не­много более 1100 кг. Его длина 3,7 м, максимальный диаметр 1 м. Компрессор повышает давление воздуха в семь раз.

В настоящее время авиация осваивает ТРД с тягой в 10—11 тонн. При скорости 2000 км/час это соответствует мощности около 80 тысяч лошадиных сил.

ЗА ЗВУКОВЫМ БАРЬЕРОМ

К

Аждый самолёт новой конструкции подвергается все­сторонним испытаниям в полёте; проверяется проч­ность новой машины, надёжность её управления, скорость, «потолок», маневренность.

Особенно важно выяснить поведение нового самолёта на больших скоростях.

Лет 10—12 назад, испытывая истребитель на пикиро­вании (т. е. при крутом спуске) с работающим мотором, лётчики столкнулись со странным явлением. Когда ско­рость достигала примерно 900 км/час, поведение само­лёта становилось непонятным: он переставал слушаться лётчика, управление требовало больших усилий. Начина­лась вибрация — быстрые колебания рулей, крыльев, затем всего самолёта. Случалось, что самолёт полностью терял управление и даже разрушался в воздухе.

Исследования показали, что эти непонятные явления связаны с приближением к скорости звука. При этом не все типы самолётов вели себя одинаково. Заранее никогда нельзя было предвидеть, что случится с машиной в зоне околозвуковых скоростей.

Научные исследования позволили объяснить эти яв­ления. Оказалось, что картина обтекания воздухом тела, движущегося со звуковой скоростью, резко меняется, при­обретая новые особенности.

Как известно, всякое тело при своём движении в воз­духе испытывает сопротивление. На больших скоростях сопротивление воздуха резко возрастает. Например, если скорость самолёта повышается от 300 до 600 км/час, сила сопротивления воздуха увеличивается вчетверо, а повы­шение скорости этого же самолёта от 600 до 1200 км! час Вызовет рост сопротивления воздуха уже примерно в 20—30 раз.

Чем это объясняется?

Мы знаем, что звук — это волновые колебания частиц воздуха. Вот движется тело. Оно толкает находящиеся впереди него частицы воздуха. Эти толчки передаются вперёд от одних частиц к другим со звуковой скоростью. Любой толчок, любое колебание, самое слабое изменение давления распространяются в воздухе со скоростью звука. Частицы воздуха, находящиеся на некотором рас­стоянии впереди тела, получают как бы сигнал в виде зву­ковой волны. Они расступаются и, давая телу дорогу, плавно обтекают его по сторонам. Тело продвигается впе­рёд, преодолевая сравнительно небольшое сопротивление. Такова картина перемещения тела в воздухе с дозвуко­вой скоростью.

Но что произойдёт, если скорость движения сравняется со звуковой?

Скорость распространения колебаний, вызванных дви­жущимся телом, останется попрежнему равной скорости звука. Но с этой же скоростью движется и само тело. Сле­довательно, оно будет двигаться наравне со звуковыми волнами. В этом случае колебания воздушных частиц, возникающие при движении тела, уже не смогут «изве­стить» о его приближении находящиеся впереди частицы воздуха. Не получив волнового «сигнала», частицы воз­духа не успеют расступиться.

Происходит как бы удар воздушной струи о тело. В месте этого удара возникает так называемая ударная волна или скачок уплотнения — область сильно сжатого воздуха.

При звуковой скорости тело неотступно движется за порождаемыми им самим колебаниями воздуха. Оно ок­ружено летящими вместе с ним упругими звуковыми вол­нами. Накладываясь друг на друга, эти волны образуют перед телом «барьер» сильно уплотнённого воздуха.

При движении со сверхзвуковой скоростью тело обгоняет звуковые волны. Позади него остаётся вереница звуковых волн. В каждый момент времени летящее тело возбуждает всё новые и новые зву­ковые волны. А ранее возникшие волны расширяются, растут. Сла­гаясь, они образуют за телом об­ласть уплотнённого воздуха — конус возмущения. В вершине конуса нахо­дится само тело. Этот конус тем острее, чем больше скорость движе­ния (рис. 9).

Ударные волны, вызываемые те­лом, движутся вместе с ним со сверх­звуковой скоростью. Они возмущают окружающую воздушную среду и вы­зывают дополнительное волновое со­противление.

На поверхности конуса возмуще­ний, где происходит скачок уплотне­ния, одновременно с повышением давления резко, также скачком, возра­стает и температура воздуха. Допол­нительное сопротивление при полёте со звуковыми скоростями — непосред­ственный результат превращения ме­ханической энергии (движение тела) в тепловую (сжатие и нагрев воздуха в зоне скачка). Мощность двигателя самолёта, летящего со звуковой ско­ростью, расходуется в конечном счё­те на нагревание возмущённого им Рис 9 полёт со воздуха. сверхзвуковой скоро-

Пытливая мысль учёных И инже - стьк Самолёт обго-

Неров успешно изыскивает пути пре - няет порождённые им • ^ тт 1 волны. Слагаясь, эти

Одоления звукового барьера. И в пер - волны 06pa3yl0T' ко.

Вую очередь эта работа сказывается Нус возмущения.

На форме современного самолёта.

Внешний вид сверхзвукового самолёта весьма необы­чен. Фюзеляж его имеет более острую, чем у дозвуковых самолётов, переднюю часть; крыло очень тонкое, с ост­рыми кромками (рис. 10). Такое крыло, как и сильно
заострённый артиллерийский снаряд, испытывает значи­тельно меньшее сопротивление на сверхзвуковых скоро­стях полёта.

Этого мало: крыльям современных скоростных само­лётов придают стреловидную форму. Такое крыло, если посмотреть на него сверху или снизу, несколько напоми­нает наконечник стрелы. Интересно отметить, что ско­ростной самолёт может иметь стреловидные крылья, об­ращенные остриём как вперёд, так и назад.

Стреловидные крылья и оперение обдуваются набе­гающим воздухом косо, под углом. Это несколько сгла­живает те неприятные явления, которые возникают на около­звуковых скоростях полёта.

Преодоление звуковой пре­грады легче всего осуществить не у земли, а на больших вы­сотах. Объясняется это тем, что более разреженный воздух ока­зывает меньшее сопротивление движению самолёта. Поэтому самолёт сверхзвуковых скоро­стей — это высотная машина.

Приближаясь к «звуковому барьеру», лётчик должен зара­нее знать, когда он наступит. Но скорость звука связана с температурой, она меняется на одной и той же высоте в зависимости от состояния атмосферы, от погоды. Вот почему пилоту, летящему на скоростной машине, недостаточно знать скорость само­лёта. Создан специальный прибор, который показывает так называемое «число М» — отношение скорости полёта к скорости звука в воздухе в данный момент. Если шкала этого прибора показывает «0,99» — значит, самолёт вплотную подошёл к скорости звука. Когда прибор по­казывает «1,01» — это значит, машина уже обогнала звук.

Перед авиацией стоит ещё одна проблема — проблема высоких температур.

ЗООкм/час Рис. 10. Профили крыла для различных скоростей полёта.

Кто не знает природного явления — «падающие звёзды». Эти небесные пришельцы — крохотные космиче­
ские тела — врезаются в земную атмосферу со скоро­стями в десятки километров в секунду. При этом обра­зуется сильно сжатая воздушная «подушка». Газ в ней накаляется до нескольких тысяч градусов и испускает яркий свет— его мы и видим, когда наблюдаем «падаю­щую звезду».

Нечто подобное может произойти с самолётом, летя­щим со сверхзвуковой скоростью. Уже при скорости по­рядка 2500 км! час температура крыльев и фюзеляжа до­стигает примерно 200° С. Следовательно, сверхзвуковой самолёт должен быть оборудован специальной аппарату­рой для искусственного охлаждения, по крайней мере, ка­бины пилотов.

ПЕРВЫЕ ПОЛЁТЫ РЕАКТИВНЫХ САМОЛЁТОВ

П

Од руководством Коммунистической партии в нашей стране созданы крупнейшие, оснащённые новейшим оборудованием научно-исследовательские авиационные ин­ституты, построены прекрасные заводы, воспитаны заме­чательные кадры авиаконструкторов, учёных, инженеров и изобретателей, специалистов по реактивной технике. Настало время свершиться пророческим словам Циолков­ского: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных».

И советские люди открыли новую эру в авиации.

29

Первый полёт человека на самолёте с жидкостным реактивным двигателем был совершён в нашей стране. Этот полёт состоялся в феврале 1940 года. Лётным испы­таниям предшествовала большая подготовительная работа. Спроектированный инженером Л. С. Душкиным жидкост­ный реактивный двигатель прошёл всесторонние завод­ские испытания в лаборатории. Затем его установили на планёр. После того, как двигатель успешно прошёл на­земные испытания на планёре, приступили к лётным ис­пытаниям. Реактивный самолёт забуксировали обычным винтовым самолётом на высоту 2 км. Лётчик В. П. Фё­доров отцепил трос и, отлетев на некоторое расстояние от самолёта-буксировщика, включил реактивный двигатель. Двигатель устойчиво работал до полного израсходования топлива. По окончании моторного полёта летчик благопо­лучно спланировал и приземлился на аэродроме.

4 Самолёт-ракета

Вскоре советский конструктор В. Ф. Болховитинов спроектировал самолёт с жидкостным реактивным двига­телем JI. С. Душкина. Самолёт и реактивный двигатель строились в 1941 году на одном из авиационных заводов, эвакуированных вглубь страны. В тяжёлых условиях пришлось заводскому коллективу создавать этот самолёт. Часть оборудования завода ещё лежала в ящиках на за­снеженной площадке. Рабочие и инженеры строили но­вые заводские корпуса, жильё. Для постройки реактив­ного самолёта не хватало материалов и инструментов» Несмотря на всё это, коллектив завода уже к декабрю 1941 года построил реактивный двигатель. Параллельно создавался и самолёт. Тогда же началась подготовка и к лётным испытаниям.

Первое испытание новой машины в воздухе было воз­ложено на лётчика-испытателя капитана Г. Я. Бахчи - ванджи.

Наступил долгожданный день. 15 мая 1942 года со­стоялся первый самостоятельный взлёт с земли самолёта с ЖРД.

Ещё с утра всё было готово к старту. Но густая низ­кая облачность не позволяла начать испытания. Во второй половине дня наступило прояснение. Облака поредели, появились большие просветы голубого неба. Бахчиванджи сел в кабину реактивного самолёта. Это был небольшой остроносый самолёт-моноплан [37]) с убирающимися шасси и хвостовым колесом. В носовом отсеке фюзеляжа были расположены две 20-миллиметровые пушки, бое­запас к ним и радиоаппаратура. Далее помещались кабина лётчика, закрытая фонарём, и топливные баки. В хвостовой части самолёта находился двигатель. Отсут­ствие воздушного винта придавало машине необыч­ный вид.

Ровно в 19 часов высоко в небо взлетела зелёная ра­кета — сигнал к старту. Лётчик включил двигатель. Из сопла вылетела огненная струя газов, и машина стреми­тельно побежала по взлётной полосе. Быстро оторвав­шись от земли, она устремилась ввысь. Через несколько секунд после взлёта реактивная машина достигла такой большой высоты, что была едва различима. Лишь яркой
точкой виднелось в синем небе вырывавшееся из двига­теля пламя.

Казалось, самолёт мчится, гонимый огненным вихрем. Бахчиванджи взглянул на указатель скорости и не пове­рил глазам: стрелка стояла у поразительно высокой цифры. Но прибор не обманывал, а между тем лётчик почти не чувствовал огромной скорости полёта.

Выполнив задание, Бахчиванджи пошёл на посадку и благополучно приземлился на аэродроме.

Вслед за капитаном Бахчиванджи и другие совет­ские лётчики совершили полёты на этом реактивном самолёте.

В 1943 году испытания самолётов с жидкостными реактивными двигателями происходили в США. Год спустя состоялись полёты немецких реактивных истреби­телей конструкции Мессершмидта.

Одновременно с испытаниями ЖРД проводились ра­боты по созданию воздушно-реактивных двигателей.

Интересные экспериментальные работы по воздушно- реактивным двигателям велись ещё в 1932—1935 годах под руководством профессора Ю. А. Победоносцева.

На основе классических работ по теории ВРД акаде­мика Б. С. Стечкина и богатого экспериментального мате­риала, полученного под руководством Ю. А. Победонос­цева, одним из авторов этой книги, И. А. Меркуловым, были спроектированы ракеты с прямоточными воздушно - реактивными двигателями. Их испытания проводились в 1938—1939 годах. Для взлёта ракеты из пускового станка применялись пороховые стартовые реактивные двига­тели. Они сообщали ракете скорость до 100 м]сек. Затем включался воздушно-реактивный двигатель и ракета с возрастающей скоростью набирала высоту.

31

В 1939—Г940 годах состоялись лётные испытания соз­данных И. А. Меркуловым прямоточных воздушно-реак­тивных двигателей на самолётах И-152 и И-153 конструк­ции Н. Н. Поликарпова (рис. 11). Двигатели были уста­новлены на нижних плоскостях самолёта как дополнитель­ные моторы. Первые полёты проводил опытный лётчик- испытатель П. Е. Логинов. На заданной высоте он разго­нял машину до максимальной скорости и включал воздушно-реактивные двигатели. Тяга этих дополнитель­ных моторов увеличивала максимальную скорость полёта.

4*

В январе 1940 года состоялось официальное испытание работы прямоточных воздушно-реактивных двигателей на самолёте. Стартовав с Центрального аэродрома им. Фрунзе в Москве, лётчик Логинов на небольшой вы­соте включил реактивные двигатели и сделал несколько кругов над районом аэродрома.

Рис. 11. Самолёт И-153 «Чайка» конструкции Н. Н. Поликарпова с дополнительными прямоточными воздушно-реактивными двигателями.

В суровые годы Великой Отечественной войны многие советские авиаконструкторы разрабатывали воздушно - реактивные двигатели. Были проведены лётные испыта­ния самолётов с различными типами реактивных двига­телей.

Коллектив авиаконструктора А. И. Микояна в 1943— 1944 годах начал работы над истребителем И-250 с комби­нированной двигательной установкой. Она состояла из поршневого двигателя жидкостного охлаждения с воздуш­ным винтом и воздушно-реактивного двигателя, компрес­сор которого получал вращение от поршневого мотора. Воздух проходил по каналу под кабиной лётчика и по­ступал в компрессор ВРД. Реактивная струя выходила через сопло в хвостовой части фюзеляжа. Свой первый полёт И-250 совершил в марте 1945 года. Во время лёт­ных испытаний была достигнута скорость полёта, значи­тельно превышающая 800 км/час.

Вскоре этот же коллектив конструкторов создал реак­тивный истребитель МИГ-9. На нём в нижней части фю­зеляжа устанавливались два турбореактивных двигателя.

Тонкое крыло самолёта имело трапециевидную форму и было снабжено закрылками. 24 апреля 1946 года лётчик-испытатель А. Н. Гринчик совершил на самолёте МИГ-9 первый полёт. Максимальная скорость этой ма­шины превысила 900 км/час.

В тот же день был совершён первый полёт на реактив­ном истребителе конструкции А. С. Яковлева.

В 1947—1948 годах прошёл лётные испытания совет­ский реактивный истребитель Як-23, который развивал

Рис. 12. Реактивный истребитель Як-23.

Ещё большую скорость (рис. 12). Это был одноместный цельнометаллический моноплан. Большие скорости полёта вызвали необходимость применить катапультируемое си­дение, чтобы лётчик в аварийных случаях без труда мог покинуть самолёт.

Работы по созданию самолётов с воздушно-реактив­ными двигателями велись и за рубежом.

В августе 1940 года в Италии состоялся полёт первого реактивного самолёта, построенного фирмой Капрони по проекту инженера Кампини. На этом самолёте был уста­новлен так называемый мотореактивный двигатель, в ко­тором воздушный компрессор приводился в действие поршневым двигателем. Однако такой тип ВРД не нашёл дальнейшего применения в авиации. В 1941 году в Англии состоялись первые лётные испытания самолёта с турбо­реактивным двигателем Ф. Уитла. Двигатель развивал тягу около 400 кг.

РЕАКТИВНЫЕ САМОЛЁТЫ НАШИХ ДНЕЙ

П

Рошло всего 15 лет после первых полётов на самолётах с реактивными двигателями, но реактивная авиация достигла за это время выдающихся успехов. Современ­ные реактивные самолёты по скорости и высоте полёта оставили далеко позади самолёты с поршневыми двига­телями.

Создание реактивных самолётов потребовало проведе­ния широких экспериментальных исследований. Опытные реактивные самолёты со множеством измерительных при­боров представляют собой настоящую летающую лабора­торию. При лётных испытаниях одного из опытных са­молётов производилось измерение давления воздуха на его поверхность более чем в 400 точках. Общий вес спе­циальных измерительных приборов на этом самолёте со­ставлял около 300 кз.

Эксплуатация реактивных самолётов выдвинула но­вые задачи в деле обеспечения безопасности лётного состава.

Для полёта на больших высотах в разреженных слоях атмосферы на современных самолётах устраиваются гер­метические кабины с непрерывной подачей кислорода для дыхания людей. Независимо от высоты полёта внутри кабины автоматически поддерживаются нужные для чело­века давление воздуха, температура, влажность и чи­стота воздуха.

За последнее время учёные и конструкторы создали много различных приборов и приспособлений, облегчаю­щих труд лётчика. Например, чтобы облегчить управле­ние рулями самолёта на большой скорости, широко при­меняются обслуживающие механизмы, или, как их назы­вают, сервомеханизмы. Чтобы обеспечить безопасность посадки самолёта в трудных метеорологических усло­виях, например в тумане, используются новейшие ра­диолокационные приборы [38]).

На больших скоростях изменение скорости и напра­вления полёта не должно быть слишком резким. Чрез­мерно быстрое изменение скорости движения (большое ускорение или резкое торможение) человеческий организм воспринимает как значительное увеличение силы тя­жести; поэтому на реактивных скоростных самолётах имеются специальные автоматические аппараты, кото­рые следят за тем, чтобы возникающие ускорения не превышали безопасной для человеческого организма величины.

Скорость современных реактивных истребителей так велика, что лётчик не в состоянии сам выброситься из ка­бины с парашютом. Поэтому большинство реактивных истребителей имеет так называемое катапультируемое сидение; в случае аварии самолёта оно «выстрели­вается» вместе с лётчиком из самолёта и опускается на парашюте.

Реактивные двигатели внесли существенные изменения в конструкцию самолёта. Большинство современных ско­ростных самолётов имеет стреловидные или треугольные крылья и сильно скошенное назад хвостовое оперение. На самолёте с турбореактивным двигателем необходимо де­лать большие отверстия для входа воздуха и выхода газов. Чтобы предохранить хвостовое оперение от дей­ствия вылетающих из сопла газов, возникает необхо­димость значительно поднять его. Это нужно и для нормальной работы рулей на большой скорости, чтобы на них не попадал возмущённый крылом воздушный поток.

Какие двигатели применяются на современных ско­ростных самолётах?

До скоростей полёта порядка 800 км/час попрежнему самым эффективным остаётся авиационный двигатель с воздушным винтом. В последние годы вместо поршне­вого двигателя стал применяться газотурбинный двига­тель с воздушным винтом, так называемый турбовинтовой двигатель (ТВД). Этот авиационный двигатель имеет меньший удельный вес, чем поршневой, а по экономич­ности не уступает последнему.

На скоростях полёта от 900 до 2500 км/час самым вы­годным считается сейчас турбореактивный двигатель.

При скорости свыше 2500 км/час отпадает необходи­мость в компрессоре для сжатия воздуха и наиболее эффективным оказывается прямоточный воздушно-реак­тивный двигатель.

Полёт с высокой скоростью требует большой затраты энергии. Самолёты с прямоточным ВРД, двигаясь со ско­ростью, в 2—5 раз превосходящей скорость распростра­нения звука, будут расходовать много горючего. Продол­жительность их полёта при современном уровне техники и химии горючих веществ будет раз в пять меньше, чем винтовых самолётов. Однако за короткое время своего полёта такие самолёты успеют покрыть значительное расстояние.

Когда же авиация подойдёт к скоростям, свыше 5000— 6000 км/час и полёты будут происходить на высоте в не­сколько десятков километров, где атмосфера сильно раз­режена, самым эффективным и даже единственно возмож­ным из известных нам сейчас двигателей окажется жидкостный реактивный двигатель.

Большой расход топлива в ЖРД делает полёт с ним весьма кратковременным. Но дальность полёта может быть весьма велика.

В настоящее время авиация ещё не достигла таких огромных скоростей полёта. Но уже теперь ЖРД оказы­ваются наиболее выгодными для летательных аппаратов, рассчитанных на непродолжительное действие. Общее ко­личество израсходованного при этом топлива будет не слишком велико, а применение лёгкого и простого реак­тивного двигателя обеспечит ценные лётные качества машины.

Наибольшее распространение реактивные двигатели получили в военной авиации. Это и понятно: ведь большая скорость — одно из основных требований, предъявляемых к боевым самолётам, особенно к истребителям. Поэтому реактивные двигатели начали применять прежде всего на самолётах этого типа. В настоящее время истребители и бомбардировщики имеют скорости от 1000 до 1500 км/час. При этой скорости самым эффективным типом двигателя является ТРД. И поэтому именно он стал основным дви­гателем в современной истребительной и бомбардировоч­ной авиации.

Высокими качествами обладает советский реактивный истребитель МИГ-15 со стреловидным крылом и опере­нием (рис. 13). На самолёте был установлен турбореак­тивный двигатель с центробежным компрессором. МИГ-15 совершил первый полёт 30 декабря 1947 года.

Конструкторское бюро, работающее под руководством С. А. Лавочкина, создало реактивный истребитель Ла-15 (рис. 14). Как и МИГ-15, самолёт Ла-15 имел стреловид-

Рис. 13. Реактивный истребитель МИГ-15.

Ное крыло, был оборудован герметической кабиной, ката­пультируемым сидением, тормозными щитками и мощной механизацией крыла.

На рис. 15 приведена схема современного реактивного истребителя. В передней части фюзеляжа — широкое от­верстие, в которое поступает воздух для питания ТРД.

Воздух идёт по каналам, расположенным по бокам ка­бины лётчика, в центральную часть фюзеляжа, где уста­новлен двигатель. Выходящие из двигателя газы по длин­ной трубе направляются в хвостовую часть самолёта, а от­туда — наружу. Каналы для протекания воздуха и газов имеют значительные размеры и занимают много места в фюзеляже. Для работы ТРД требуется каждую секунду около 40 кубометров воздуха.

На рис. 16 изображён современный реактивный само­лёт с треугольным крылом.

Рис. 16. Реактивный самолёт с треугольным крылом в полёта.

На нём установлен ТРД с тягой в 5 тонн. При работе на форсированном режиме двигатель развивает тягу около 7 тонн. Двигатель имеет 16-ступенчатый осевой компрес­сор, состоящий из двух отдельных агрегатов с 9 и 7 сту­пенями. Компрессор, повышающий давление воздуха в 12,5 раза, приводится во вращение от 3-ступенчатой га­зовой турбины. Этот истребитель имеет взлётный вес бо­лее 12,5 тонны. По сообщению иностранной печати, он достиг на высоте 20 км, при полёте со снижением, ско­рости около 2000 км/час. Это испытание показало, что самолёт обладает достаточной прочностью конструкции и эффективностью органов управления для полёта на столь больших скоростях.

Отдельные самолёты-истребители с ТРД при горизон­тальном полёте достигали скорости 1800—1900 км/час.

Теперь турбореактивные двигатели применяются и в бомбардировочной авиации.

В настоящее время строятся реактивные бомбардиров­щики различных классов. Один из лёгких бомбардировщи­ков с двумя ТРД развивает скорость около 1000 км/час. Дальность беспосадочного полёта превышает 5 тыс. км. На этой машине был установлен официальный мировой рекорд высоты — 20 км.

Один из средних бомбардировщиков (рис. 17) имеет четыре турбореактивных двигателя с тягой по 4300 кг

Рис. 17. Стратегический реактивный бомбардировщик.

Каждый. Радиус действия этого самолёта — более 4000 км, Максимальная скорость—1100 км/час. Самолёт может подниматься на высоту до 16 км.

Другая реактивная машина — сверхтяжёлый бомбар­дировщик весом около 170 тонн. Его восемь ТРД разви­вают вместе тягу в 40 тонн. Скорость этого самолёта — 1050 км/час, дальность полёта— 12 800 км. Экипаж со­стоит из девяти человек. Как видно из рис. 18, этот самолёт имеет высоко расположенные стреловидные крылья, под которыми в четырёх гондолах укреплены двигатели.

Уже не раз на воздушных парадах в Москве сотни тысяч зрителей любовались полётом машин, сочетающих небывалую скорость и мощь,— советских реактивных

Бомбардировщиков. Яркой демонстрацией могущества советской реактивной авиации явился воздушный парад на Тушинском аэродроме в Москве в День Воздушного флота СССР — 3 июля 1955 года. Он наглядно показал прогресс отечественной авиационной науки и техники. Всего восемь лет назад — в августе 1947 года — здесь, на Тушинском аэродроме, был впервые показан высший пилотаж на реак­тивных самолётах. А каких замечательных успехов доби-

Рис. 18. Многомоторный реактивный бомбардировщик.

Лись за этот небольшой срок советские самолётостроители, как выросло мастерство наших лётчиков!

Вот что писала «Правда» об этом воздушном параде.

«...Возникшая на горизонте точка со сказочной быстротой вырастает в сверкающий реактивный истреби­тель, управляемый майором т. Лапшиным. Самолёт про­носится над аэродромом и молниеносно уходит в зенит. Совершив под самыми облаками петлю Нестерова, сме­лый пилот стремительно бросает машину к земле, потом, как молния, проносится над головами зрителей. Самолёт, идя круто кверху, одновременно переворачивается вокруг своей продольной оси, штопором ввинчивается в небо. Взгляд не поспевает проследить за машиной — на такой скорости движется она в воздухе.

Всеобщее восхищение вызвал высший пилотаж звена реактивных истребителей полковника Бабаева. С непре­взойдённым мастерством три машины, сомкнутым стро­ем, взмывали вверх, делали перевороты через крыло, виражи. И все сложные маневры лётчики выполняли одновременно, в какие-то доли секунды. В их полё­те смелость сочеталась с мастерством, бесстрашие — с опытом.

Но всё это было как бы только прелюдией к показу искусства группового пилотажа на самолётах-молниях.

На воздушной арене — два звена реактивных истре­бителей. Одно из них возглавляет подполковник Фокин, другое — подполковник Стеценко. Точно выдерживая строй, звенья расходятся в стороны, а затем ложатся на встречный курс, с огромной скоростью сближаются и в самый последний момент снова расходятся, взмывая вверх.

Свист рассекаемого воздуха, гул могучих двигателей возвещают о появлении девяти реактивных истребителей под командованием полковника Шульженко. Вот они, об­гоняя звук, вонзаются в поднебесье, там описывают дугу и на полной скорости входят в пике. Самолёты выпол­няют сложные упражнения так слаженно, словно ими управляет один человек. Красив и безукоризненно чёток их полёт.

Буря восторга прокатывается по полю, когда на гро­мадной скорости проходят тяжёлые реактивные бомбар­дировщики новой конструкции. Флагманский корабль, который ведёт полковник Сухомлин, эскортируют че­тыре истребителя.

За флагманом следуют всё новые и новые исполин­ские машины. Они кажутся вычеканенными из серебра. Ярко горят алые пятиконечные звёзды на высоких килях самолётов. У них сигарообразный фюзеляж и скошенные назад могучие крылья.

Воздушные корабли обладают невиданной доселе скоростью и высотой полёта. Они оснащены надёжным навигационным оборудованием. Их экипажи могут ле­тать по приборам на дальние расстояния при любой по­годе, на больших высотах. ...Волна за волной пролетают тяжёлые бомбардировщики. Во главе колонн — полков­ник Нюхтиков и Герой Советского Союза полковник Ива­нов, налетавший свыше двух миллионов километров. Строем «клин» показались новые эскадрильи бомбарди­ровщиков. Их ведёт один из старейших лётчиков страны — полковник Лукин. Экипажи этих великолепных машин находятся в надёжных руках людей, в совершен­стве овладевших новой могучей техникой, которой Родина вооружила свои Военно-Воздушные Силы.

Дополняя демонстрацию авиационной мощи Страны Советов, вслед за тяжёлыми кораблями промчались реак­тивные истребители. Их колонны возглавляли полков­ники Вовк и Астахов. С земли даже не успели по-настоя - щему разглядеть последнее звено самолётов, которым командовал майор Алексеев. Они не пронеслись, а бук­вально промелькнули над аэродромом...»

На рис. 19 вы видите четырёхмоторный реактивный бомбардировщик, эскортируемый истребителями.

Рис. 19. Четырёхмоторный реактивный бомбарди­ровщик, эскортируемый истребителями.

Турбореактивные двигатели начинают применяться и - в гражданской авиации. С весны 1955 года на воздушной линии Москва — Новосибирск начали курсировать реак­тивные почтово-грузовые самолёты ИЛ-20. Каждый день в 3 часа утра с Внуковского аэродрома под Москвой они отправляются в рейс по маршруту Москва — Сверд­ловск — Новосибирск. На борту самолётов — матрицы столичных газет. Благодаря использованию этих скорост­ных машин жители крупнейшего промышленного города Сибири — Новосибирска — читают московские газеты в один день с москвичами.

В День Воздушного флота СССР 3 июля 1955 года над Тушинским аэродромом на большой скорости прошёл впервые показанный на авиационном параде советский реактивный пассажирский самолёт.

Вождение пассажирских самолётов на больших ско­ростях и высотах имеет свои особенности. Некоторые

Метеорологические явления, происходящие в высоких слоях атмосферы, ещё недостаточно изучены.

С высоты хорошо опознаются крупные населённые пункты, водоёмы, большие реки и лесные массивы. Но такие ориентиры, как железные дороги, малые реки и т. п., заметны плохо. Поэтому экипажу высотного само­лёта необходимо изучать все характерные крупные ориен­тиры в районе трассы.

Исключительно большая роль в управлении реактив­ным самолётом принадлежит автоматике. При полёте с большой скоростью и на большой высоте человеку трудно придерживаться заданного пути, малейшее нару­шение курса даже в короткое время приводит к боль­шим отклонениям от трассы. На помощь лётчику при­ходит автопилот, который с недоступной человеческо­му организму точностью ведёт самолёт по заданному курсу.

Для обеспечения безопасности полётов реактивных самолётов в сложных метеорологических условиях с ними устанавливается двусторонняя радиосвязь.

Важной проблемой для реактивных машин является увеличение дальности беспосадочного полёта. Один путь решения этой проблемы — применение дополни­тельных баков с топливом. Обычно их подвешивают под крыльями и сбрасывают после израсходования заключённого в них горючего. Однако такие баки увеличи­вают сопротивление воздуха, ограничивают скорость са­молёта и его маневренность. Поэтому ищут и другие пути увеличения дальности полёта.

Весьма многообещающей оказалась идея пополнения запасов топлива в воздухе от специальных самолётов-за­правщиков.

Сейчас успешно разрабатываются и практически осу­ществляются различные способы заправки реактивных самолётов в воздухе. Обычно заправка в полёте про­изводится следующим образом. Самолёт-заправщик подлетает к заправляемому самолёту. Продолжая полёт на некотором расстоянии от него, самолёт-заправщик по специальному шлангу перекачивает необходимое количе­ство топлива в баки заправляемой реактивной машины.

Заправка самолётов в воздухе может производиться неоднократно. С такими многократными заправками уже был осуществлён беспосадочный полёт самолёта вокруг земного шара.

Для увеличения дальности беспосадочного полёта реактивных машин создаются специальные скоростные реактивные самолёты-заправщики. Так, американской фирмой «Боинг» создан самолёт с четырьмя турбореак­тивными двигателями, предназначенный для использова­ния в качестве «воздушного танкера» — для заправки самолётов горючим в воздухе. Скорость его — 800 км/час, Высота полёта — 12 ООО м, дальность 4800 км.

Площадь крыльев у реактивных машин обычно меньше, чем у винтомоторного самолёта такого же веса. Благодаря большой скорости полёта несущие поверхно­сти реактивного самолёта развивают достаточную подъ­ёмную силу. Это и понятно — ведь подъёмная сила крыла тем больше, чем выше скорость. Но по этой же причине минимальная посадочная скорость полёта у реактивного самолёта больше, чем у поршневого. Взлетают и садятся реактивные машины на большей скорости и с большим разбегом, чем винтомоторные, а значит, нуждаются в луч­шем аэродроме, в более длинных взлётно-посадочных до­рожках. В этом — существенный недостаток реактивных машин.

В последнее время в ряде стран ведутся разработки и лётные испытания самолётов нового типа, которые на­зываются конвертопланами. Эти машины имеют обычно турбореактивные или турбовинтовые двигатели с тя­гой, превышающей взлётный вес машины. Благодаря этому конвертоплан может взлетать и приземляться совершенно отвесно на улицах города, в горах, тай­ге и т. д. Надо ожидать, что в скором будущем реактивные конвертоПланы получат широкое распро­странение.

Современная авиация идёт к освоению новых, всё больших скоростей полёта. Недалёк тот день, когда в эк­сплуатацию поступят самолёты, обладающие скоростью в 3—4 тысячи км/час. При таких скоростях, как мы уже говорили, наиболее эффективны прямоточные воздушно- реактивные двигатели.

Самолёт с прямоточным ВРД должен быть оборудо­ван дополнительным двигателем для взлёта и набора высоты. Возможно сочетание прямоточного ВРД и ТРД.

Самолёт с такой комбинированной силовой установ­кой будет взлетать и набирать скорость за счёт тяги турбореактивного двигателя, а на большой скорости будут работать оба двигателя или один прямоточ­ный ВРД.

Большие перспективы имеет также применение на самолёте комбинированной силовой установки, состоящей из ЖРД и прямоточного ВРД. Взлёт такого самолёта должен происходить с помощью ЖРД, а затем будет включаться прямоточный ВРД. При достижении боль­ших скоростей продолжает работать один ПВРД.

На рис. 20 изображён построенный по проекту фран­цузского инженера Ледюк опытный самолёт с прямоточ­ным ВРД, предназначенный для полёта со скоростью,

Рис. 20. Самолёт с прямоточным воздушно-реак­тивным двигателем.

В два раза превышающей скорость звука. Двигатель рас­положен внутри фюзеляжа, который является его корпу­сом. Поток воздуха входит в двигатель в кольцевое от­верстие между фюзеляжем и кабиной. Для взлёта на концах крыльев установлены два лёгких турбореак­тивных двигателя. Самолёт имеет вес 6 тонн. Из них одна треть приходится на долю топлива. При полёте с максимальной скоростью у поверхности земли прямоточ­ный двигатель развивает тягу 64 тонны.

Этот самолёт предполагается использовать в качестве истребителя-перехватчика. Он может перехватить совре­менный бомбардировщик на высоте 15 км менее чем за три минуты, включая подготовку к взлёту и взлёт.

Создание пассажирских машин с прямоточными воз­душно-реактивными двигателями имеет огромное на­родно-хозяйственное значение. Полёт на таких машинах от Москвы до Владивостока будет продолжаться всего около двух часов.

Ещё большую скорость полёта могут обеспечить ЖРД. В настоящее время построен один из опытных самолётов с четырёхкамерным реактивным двигателем, работаю­щим на жидком кислороде и спирте. Подача топлива в камеру двигателя осуществляется с помощью турбона­сосов. Величина тяги может регулироваться путём вклю­чения и выключения отдельных камер. Каждая работаю­щая камера развивает тягу 680 кг. Самолёт цельнометал­лический. Полный полётный вес — около 8 тонн, в том числе 6 тонн топлива. Расход топлива очень велик, по­этому продолжительность полёта с включёнными двига­телями весьма ограничена — всего 4,5 минуты. Чтобы полнее испытать самолёт на больших высотах, его подве­шивали к мощному многомоторному самолёту и подни­мали на высоту 7—9 км. Там он переходил на самостоя­тельный полёт. Во время испытательного полёта на вы­соте 21 км самолёт достиг скорости 2650 км! час, что при­мерно в два с половиной раза превосходит скорость звука Человек на этом самолёте летел быстрее, чем винтовоч­ная пуля!

Этот самолёт достиг высоты в 27 км.

Дальнейшее усовершенствование жидкостных реактив­ных двигателей сделает применение их на самолётах бо­лее эффективным. В настоящее время на каждый кило­грамм сжигаемого в секунду топлива жидкостный реак­тивный двигатель развивает тягу примерно 250 кг. Когда конструкторы реактивных двигателей в содружестве с хи­миками, изыскивающими новые топливные смеси, смогут увеличить эту цифру до 400, то продолжительность, а сле­довательно, высота, скорость и дальность полёта самолё­тов с ЖРД неизмеримо возрастут. Самолёт с ЖРД, имея запас топлива в количестве 75% от взлётного веса, смо­жет пролететь около 10 ООО км. Его максимальная скорость превысит 15 тыс. км/час.

Таковы возможности применения на самолётах различ­ных силовых установок. Как видно, все типы современных авиационных двигателей дополняют друг друга. Вместе они помогают авиации в борьбе за скорость, дальность, высоту, экономичность и безопасность полёта.

САМОЛЁТЫ-АВТОМАТЫ

Р

Азвитие авиационных реактивных двигателей при­вело к созданию самолётов-автоматов.

При полёте со сверхзвуковыми скоростями сопротивле­ние воздуха, как мы уже знаем, становится очень боль­шим. Поэтому конструкторы стремятся сократить раз­меры и вес самолётов. Тяжёлые и громоздкие поршневые двигатели препятствовали этому. С появлением лёгких и компактных реактивных двигателей стало возможным создавать летательные аппараты весьма малых размеров. Однако теперь этому стал мешать вес и размеры лётчика.

Перед конструкторами встал вопрос о замене лётчика прибором.

Самолёт-автомат имеет ряд преимуществ перед самолё­том, управляемым человеком. Такой самолёт может иметь очень небольшие размеры и вес. При полёте с большой ско­ростью возникают большие ускорения, особенно в полёте по криволинейной траектории (на виражах, при вы­ходе из пикирования и т. д.); приборы выдерживают в несколько раз большие перегрузки, чем человеческий организм. Самолёт, управляемый прибором автопилотом, может самостоятельно взлететь, совершить полёт по за­данному маршруту и вернуться на свой аэродром.

В народном хозяйстве такие самолёты будут успешно применяться на экспрессных воздушных линиях, достав­ляя срочные грузы и авиапочту.

Возможно применение самолётов-автоматов и в каче­стве боевого средства. В авиационной литературе описано много различных конструкций самолётов-автоматов с ре­активными двигателями всех типов. Эти машины соче­тают основное свойство самолёта — управляемость — с ог­ромной скоростью. Боевые самолёты-автоматы часто называют самолётами-снарядами, управляемыми снаря­дами или крылатыми управляемыми ракетами дальнего действия.

Самолёты-автоматы — действенное средство защиты важных объектов от нападения вражеских бомбардиров­щиков. В настоящее время тяжёлые реактивные бомбарди­ровщики способны совершать полёты на высоте до 20 км. Они могут нести управляемые авиабомбы, сбрасываемые за 10—15 км до цели. Для борьбы с такими бомбардиров­щиками будут применяться скоростные истребители с ТРД. Борьбу с нападающими бомбардировщиками могут вести также истребители-перехватчики с ЖРД.

Зенитная артиллерия окажется мало эффективной в борьбе с такими бомбардировщиками. Предположим, что реактивный бомбардировщик летит со скоростью 900 км/час. При обстреле его из зенитных орудий с дистан­ции, превышающей дальность полёта управляемых авиа­бомб, снаряд будет находиться в воздухе примерно 15 се­кунд. За это время бомбардировщик пролетит около 4 км. Достаточно ему отклониться хотя бы на полградуса от пер­воначального курса — и снаряд пройдёт от него на рас­стоянии более 30 метров. А при искусном маневрировании бомбардировщика вероятность попадания в него зенитного снаряда становится ничтожно малой. Для успешного пора­жения быстро летящего самолёта нужен снаряд, напра­вление полёта которого можно было бы изменять в зависи­мости от движения цели. Артиллерийский снаряд здесь непригоден: его курс после того, как он покинул орудие, не поддаётся никакой корректировке.

Здесь на смену зенитному орудию приходит лёгкий и компактный реактивный двигатель, способный развивать большую тягу и сообщать управляемому зенитному сна­ряду необходимую скорость. Такие реактивные управ­ляемые снаряды представляют собой небольшие автома­тические самолёты, по размерам уступающие истребителю, а по скорости, высотности и маневренности значительно превосходящие его.

Самолёты-снаряды оборудованы автоматической ап­паратурой для наведения их на цель. Существует мно­го различных систем управления самолётами-снаря­дами. Испытывались самолёты-снаряды, управляемые по радио с земли или с другого самолёта, пилотируе­мого лётчиком, а также самолёты-снаряды с систе­мой самонаведения на воздушную цель. Разраба­тываются и другие способы управления самолётами - снарядами.

Один из управляемых снарядов имеет длину 6 ж, диа­метр 0,3 м, вес 450 кг. Его скорость составляет 2,5 тысячи км/час, потолок 23 км, дальность полёта около 60 км. При испытаниях в среднем каждый второй такой снаряд поражал бомбардировщик, летящий на вы­соте 9 км.

На рис. 21 показан опытный американский самолёт - снаряд «Матадор». Это цельнометаллический моноплан со стреловидным крылом. Силовая установка его со-

Рис. 21. Самолёт-снаряд «Матадор».

Стоит из ТРД и дополнительной пороховой ракеты, кото­рая работает только на взлёте, после чего сбрасывается. Длина машины 12 м, диаметр около 1,3 м. Максимальная скорость 1100 км/час, дальность 800 км. Запускает­ся самолёт-снаряд с подвижной установки, смонтиро­ванной на автоприцепе (рис. 22). Управление снарядом производится на расстоянии — с земли или с борта самолёта. Это оружие предназначено для поражения на­земных целей.

На рис. 23 показан беспилотный истребитель с двумя прямоточными воздушно-реактивными двигателями. На высоте 18 км этот самолёт летит в 2,5 раза быстрее звука.

Рис. 22. Взлёт самолёта-снаряда с помощью стартового порохового реактивного двигателя.

Такой истребитель предназначен для борьбы с самолётами противника. Для этого он вооружён управляемыми реак-

Рис. 23. Беспилотный реактивный истребитель.

Тивными снарядами. Во время полёта наземные станции наведения направляют его в сторону приближающихся вражеских самолётов.

На расстоянии 5 километров от противника истреби­тель выстреливает в него реактивными снарядами. Пред­полагается, что этот автоматически действующий истреби­тель обеспечивает перехват и уничтожение бомбардиров­щика в пределах до 400 км.

АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ В АВИАЦИИ

Н

Овые, исключительные возможности для прогресса реактивной авиации открывает применение атомной энергии [39]). Пуск 27 июня 1954 года в нашей стране пер­вой промышленной атомной электростанции показал прак­тическую возможность создания атомных силовых уста­новок. Теперь перед наукой и техникой стоит задача ис­пользования атомной энергии не только для выработки электроэнергии, но и на транспорте.

Основной частью транспортного атомного двигателя ближайшего будущего явится «атомный котёл», в котором протекает так называемая цепная ядерная реакция рас­пада атомного «топлива». Этот процесс идёт с выделением огромного количества тепла. Таким образом, атомный котёл может быть использован как своеобразная топка в обычной паросиловой установке.

Цепная реакция в атомном котле может происходить лишь в том случае, если количество распадающегося ве­щества не меньше известной величины — так называемой критической массы.

Атомный котёл испускает в окружающее простран­ство мощное радиоактивное излучение, губительно дей­ствующее на всё живое. Поэтому такой котёл необходимо окружать толстым слоем свинца или бетона. Атомная силовая установка оказывается чрезмерно тяжёлой. Несомненно, однако, что в будущем учёные и инже­неры создадут достаточно лёгкие атомные авиационные двигатели.

Отличительной особенностью атомного двигателя яв­ляется то, что даже в течение весьма длительного времени он расходует ничтожно малое количество атомного «топ­лива» и долгое время может работать без заправки. Атомный двигатель будет потреблять в сотни тысяч раз меньше «горючего», чем современный бензиновый двига­тель такой же мощности. Например, 1 кг атомного «топлива» выделяет такое количество энергии, которое достаточно для непрерывной работы двигателя мощ­ностью 5000 л. с. в течение трёх с лишним лет. Это значит, что практически атомный двигатель может работать до тех пор, пока не выйдет из строя вследствие износа или поломки деталей.

Как уже говорилось, наиболее распространённым ти­пом реактивного двигателя является сейчас ТРД. Поэтому первой атомной силовой установкой в реактивной авиа­ции явится, скорее всего, атомный турбореактивный дви­гатель (АТРД). Этот двигатель будет иметь много общего с обычным ТРД. Основное отличие между ними — в том, что в атомном двигателе нагрев воздуха будет произво­диться не путём сжигания керосина, а за счёт тепла, выделяемого атомным котлом. На том месте, где в ТРД помещается камера сгорания, в АТРД будет распола­гаться теплообменник. В теплообменнике находится не­сколько рядов трубок, по которым циркулирует сильно нагретая жидкость или даже расплавленный металл. Эта жидкость или легкоплавкий металл нагревается в атом­ном котле и передаёт своё тепло сжатому воздуху. Нагре­тый в теплообменнике воздух будет вращать турбину и, вылетая через сопло в атмосферу, создавать силу тяги. Самолёт с таким двигателем будет иметь практически неограниченную дальность полёта, так как расход атом­ного «топлива» ничтожен.

Для полёта на больших, сверхзвуковых скоростях могут быть созданы прямоточные ВРД на атомном «топ­ливе» (рис. 24). В таком двигателе, как и в обычном прямоточном ВРД, сжатие воздуха осуществляется в диффузоре, под действием скоростного напора воздушного потока. Сжатый воздух, проходя по специальным каналам через атомный котёл или теплообменник, сильно нагре­вается и с огромной скоростью выходит из сопла двига­теля.

Можно ожидать также создания атомного ЖРД, у ко­торого камеру сгорания заменяет атомный котёл. Для работы такого АЖРД не нужно горючего и окислителя, поскольку источником энергии для него служит не хими­ческая реакция (горение топлива), а процесс расщепле­ния атомных ядер. Однако для получения тяги в атомном реактивном двигателе, как и в любом реактивном двига­теле вообще, необходимо отбрасывать назад какое-либо вещество. В атомных воздушно-реактивных двигателях для этой цели служит воздух. Чтобы создать реактивную струю в атомном ЖРД, можно использовать, например, простую воду. В атомном котле она будет испаряться; образовавшийся пар нагреется до высокой температуры и, поступив в сопло, вылетит из него с большой скоростью, создавая реактивную силу.

Направление палё/па

Сопло

Диффузор Рис. 24. Схема прямоточного ВРД на ядерном горючем.

Если в АЖРД удастся осуществить температуру в 3000° С и выше, то вода будет не только испаряться, но и разлагаться на водород и кислород. Это вызовет ещё большее увеличение объёма газов. А чем больше объём газа, тем больше и совершаемая им работа. Поэтому для АЖРД желательно выбрать такое вещество, которое при испарении образует наибольшее по объёму количество газа.

Известно, что 1 кг продуктов сгорания керосина в кислороде при 2000° С и атмосферном давлении имеет объём 6 ж3; 1 кг воды при испарении и нагревании до 2000° С даёт около И ж3 водяного пара. А.1 кг водорода при тех же условиях занимает объём 100 м3. Значит, водо­род, расширяясь, совершит гораздо большую работу. При одинаковых давлениях и температуре в атомном котле и камере сгорания ЖРД скорость истечения водоро­да будет в четыре раза больше, чем скорость истечения продуктов сгорания керосина. Во столько же раз возра­стёт и тяга.

Расчёты показывают, что в АЖРД можно достиг­нуть скорости истечения водорода в 10 — 12 тысяч м/сек. Это даст возможность развить небывалую скорость по­лёта — порядка нескольких десятков тысяч километ­ров в час!

Атомного двигателя в авиации еще нет. Практическое осуществление атомных реактивных двигателей требует решения ряда сложных технических проблем. Однако нельзя сомневаться в том, что в недалёком будущем атом­ные самолёты будут созданы.

Повидимому, атомный двигатель будет использован прежде всего на самолётах-автоматах. Ведь там не нужно заботиться о предотвращении вредного действия радио­активного излучения па человеческий организм Следова­тельно, отпадает необходимость в защитных устройствах, которые значительно утяжеляют атомный двигатель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С

Оветская реактивная авиация развивается небывало быстрыми темпами Настало время широко использо­вать выдающиеся достижения реактивной авиации для мирной жизни людей, для развития скоростного почтового и пассажирского транспорта.

Легко представить себе, какие возможности открывают перед нами пассажирские самолёты, обладающие такими скоростями полёта, которые уже освоены военной реак­тивной авиацией. При сверхзвуковой скорости полёта весь путь от Москвы до Владивостока можно будет покрыть за пять часов. Это значит, что человек, вылетевший из Владивостока в 12 часов дня по дальневосточному вре­мени, прибудет в Москву в тот же день в 11 часов дня, обогнав в полёте видимое движение Солнца по не­босводу! Полёты с такой скоростью — реальность на­ших дней.

А пассажирские самолёты с турбореактивными двига­телями смогут совершать полёты со скоростью в 2—3 ты­сячи км/час. Полёт с такой скоростью из Москвы в Дон­басс потребует меньше времени, чем поездка по кольцевой линии Московского метрополитена.

Но и эти машины не будут пределом неисчерпаемых возможностей науки и техники.

Советский учёный Ф. А. Цандер ещё в 1932 году в сво­ей книге «Проблема полёта при помощи реактивных аппаратов» писал о возможности создания летательных аппаратов с жидкостными реактивными двигателями, спо­собных летать со скоростью в десятки тысяч км/час. Вы­ходя с такой скоростью из плотных слоёв атмосферы, воз­душный реактивный корабль по инерции будет двигаться по дуге эллипса над земным шаром, покрывая расстояние в тысячи километров. Полёт на расстояние 10 тысяч кило­метров можно будет совершить за 40 минут.

Такие сверхскоростные полёты сейчас могут показаться очень смелой фантазией. Но развитие пауки и техники часто превосходит самые, казалось бы, несбыточные фан­тазии прошлого.

Развитие сверхскоростной реактивной авиации не только приведёт нас к тому, что облёт вокруг земного шара за несколько часов будет обычным делом, но и от­кроет человечеству путь к полётам в космическое про­странство.

Цена 85 коп.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХН ИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА 1МНВНВМННМНВШВНВНМНВВНВНННННН

Вып. 16. а. а. введенский. Электричество в нашей жизни.

Вып. 17. А. л. колесников, Из чего состоит вселен­ная.

Вып. 18. а. п. крючков. Искусственный каучук. Вып. 19. Проф. а. и. Китайгородский. Кристаллы. Вып. 20. Проф. б. б. Кудрявцев. Движение молекул. Вып. 21. г. н. берман. Счёт и число. Вып. 22. о. а. реутов. Органический синтез. Вып. 23. к. а. гладков. Дальновидение. Вып. 24. н. г. Новикова. «Необыкновенные» небесные явления.

Вып. 25. н. в колобков. Грозы и бури. Вып. 26. а. и. погумирский и б. п. Каверин. Производ­ственный чертёж. Вып. 27. Проф. р. в. куницкий. День и ночь. Времена года.

Вып. 28. е. в. болдаков. Жизнь рек.

Вып. 29. а. в. кармишин. Ветер и его использование.

Вып. 30. г. А. зисман. Мир атома.

Вып. 31. в. с. сухоруких. Микроскоп и телескоп.

Вып. 32. н. в. гнедков. Воздух и его применение.

Вып. 33. а. н. несмеянов. Меченые атомы.

Вып. 34. в. Д. охотников. В мире застывших звуков.

Вып. 35. с. г. суворов. О чём говорит луч света.

Вып. 36. г. в. бялобжеский. Снег и лёд.

Вып. 37. м. с. тукачинский. Как считают машины.

Вып. 38. с. Д. клементьев. Управление на расстоянии.

*) У читателя может возникнуть вопрос: а почему бы в этом и подобных случаях не применить «электрический глаз» — фотоэлемент?

* К. К. Андреев 17

[1] ГОЭЛРО — Государственная Комиссия по электрификации России, созданная в 1920 г. План этот, рассчитанный на 10—15 лет, к 1935 году был значительно перевыполнен.

[2] «Атомос» — неделимый.

[3] Под абсолютной электростатической единицей понимается заряд, который на расстоянии в 1 сантиметр действует на равный ему заряд с силой в 1 дину (приблизительно равной весу 1 миллиграмма).

[4] Абсолютно черным телом называют такое тело, которое поглощает 100% падающего на него излучения. Близким по свойствам к абсолют­но черному телу является, например, сажа, которая поглощает 99% излучения.

[5] Не правда ли, термин «дозволенные» производит странное впечат­ление? Кто это мог дозволить или запретить? Этот термин введен в науке — квантовой физике — на основании энергетических соображе­ний. Ученые к нему привыкли и он уже не кажется странным. (Прим. ред.)

[6] Ангстрем (А) — единица длины, равная 0,000 000 01 см (10"~8сл), обычно применяемая для измерения очень малых расстояний.

[7] Это явление носит название объемной фотоионизации хаза.

[8] Положительный ион и электрон называют парой ионов.

[9] Нормальное атмосферное давление, как известно, равно 760 мм Рт. ст.

[10] Изотоп — элемент, имеющий одинаковый положительный заряд ядра, но другой атомный вес.

[11] Микросекунда — одна миллионная доля секунды.

[12] Разность потенциалов между электродами, при которой раз­ряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный, называют напряжением зажигания газового разряда или потенциалом зажига­ния разряда. Последнее название объясняется тем, что всегда пред­полагается, что потенциал катода равен нулю и имеется в виду по­тенциал анода.

Ведь для питания электрической схемы счетчика радиоактивных излу­чений все равно нужно подводить электроэнергию. Значит, можно пи­тать и источник света и усилительную схему фотоэлемента. Не проще ли это? Ваши сомнения разрешатся, если я напомню вам, что большое ко­личество пыли, висящее в воздухе в тоннелях и бункерах, делает не­возможным применение фотоэлектрических схем с источниками света. (Прим. ред.).

[13] К. Маркс и Ф. Энгельс, Избранные письма, Госполитиздат, 1948, стр. 26.

[14] Шашка — небольшой цилиндр или параллелепипед из спрес­сованного взрывчатого вещества.

[15] О жидком воздухе и жидком кислороде подробно расска­зывается в книжке «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: А. С. Фёдоров «Огненный воздух».

[16] Чтобы легко плавящийся тротил не растекался при нагре­вании.

[17] Чёрный порох взрывается от пламени.

[18] Мы не касаемся здесь вопроса о возможностях использования атомной энергии.

[19] Зависимость способности к взрыву от строения химического соединения хорошо видна на следующем примере. Известны два соединения одинакового состава: изоциановая кислота и гремучая кислота. Молекулы каждой из этих кислот содержат по одному атому водорода, углерода, кислорода и азота. Соли этих кислот также одинаковы по составу; например, в соли серебра атом водо­рода заменён на атом серебра. В то же время свойства этих солей существенно различны. Соль гремучей кислоты — сильно взрывчатое вещество, а соль изоциановой кислоты не взрывается. Объясняется это тем, что в изоциановой кислоте углерод соединён с кислоро­дом, то есть он частично уже «сгорел» при образовании молекулы кислоты. В гремучей же кислоте углерод соединён с азотом; при перегруппировке атомов под соответствующим воздейсгвием он мо­жет соединяться с кислородом, что сопровождается выделением зна­чительного количества тепла и даёт поэтому взрыв.

3*

[20] Водород получают из воды электролизом или другими спо­собами.

[21] Гидромонитор, или водомёт, очень похож на всем известный брандспойт, применяющийся в пожарном деле. Из конусообразной, суживающейся к концу металлической трубки — гидромонитора — под действием мощного нагнетательного насоса с большой скоростью вырывается струя воды, которая разрушает грунт.

[22] Метеорология — наука, изучающая земную атмосферу, её строение, свойства и происходящие в ней процессы.

[23] Движителем называют специальное устройство, предназначен­ное для преобразования работы двигателя в поступательное движе­ние транспортных машин по суше, воде, в воздухе и в безвоздушном пространстве. Движителе^ для самолёта, вертолёта, дирижабля, глиссера, аэросаней служит воздушный винт, для судов — гребной винт, для автомобиля, локомотива и т. п.— колесо, для ракеты, ле­тящей в безвоздушном пространстве,— струя газов, выбрасываемых из сопла реактивного двигателя.

[24] Аэродинамика (от греческих слов «аэр» — воздух и «дина - мис» — сила) — наука, изучающая движение воздуха (и других га­зов) и его силовое воздействие на обтекаемые им твёрдые тела.

2 Л. К. Баев

[25] О реактивной авиации см. книжку: Л. К. Б а е в и И А. Мер­кулов, Самолёт-ракета, «Научно-популярная библиотека» Гостех - издата.

[26] Сила лобового сопротивления зависит также от плотности воздуха, которая уменьшается с высотой подъёма.

[27] Микроманометр — прибор для измерения небольших давлений.

[28] Об алюминиевых сплавах рассказано в брошюре этой же се­рии: В. А. Парфёнов, Крылатый металл, Гостехиздат.

[29] О двигателе внутреннего сгорания читайте книжку этой же серии: В. Д. Захарченко. Мотор.

[30] Соосными называются винты, у которых оси вращения совпа­дают. Вал одного из винтов— полый, внутри него проходит вал дру­гого винта. Обычно соосные винты располагаются рядом, близко друг к другу, и вращаются в противоположные стороны.

[31] Синоптик — метеоролог, специалист по составлению синопти­ческих карт — географических карт, на которые нанесены сводные результаты наблюдений над различными элементами погоды. Эти карты необходимы для предсказания погоды.

[32] О поршневом двигателе внутреннего сгорания читайте книжку етой же серии; В. Д, Захарченко, Мотор*

[33] Скорость распространения звука в воздухе при температуре 15° С равна 1224 км/час.

2 Самолёт-ракета

[34] Коэффициент полезного действия (КПД) показывает, какая часть затрачиваемой энертии превращается в полезную работу.

[35] Подробнее о метеорологических ракетах см. в книжке этой же серии: В. К. Щукин, Штурм неба.

[36] Центробежная сила всегда возникает при вращении любого тела. Направлена она от центра вращения к окружности. Примером проявления центробежной силы служит натяжение нити при враще­нии привязанного к ней грузика.

[37] Моноплан — самолёт с одной парой крыльев.

[38] О радиолокации см. брошюру «Научно-популярной библио­теки» Гостехиздата: Ф. И, Честно в, Радиолокация.

[39] О том, что такое атомная энергия и как её получают, подробно рассказывается в книжке этой Же серии: В. А. Л еш ко в ц е в, Атом­ная энергия.