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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Míssil balístico. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Um míssil balístico é um tipo de arma de míssil. Ele realiza a maior parte do voo ao longo de uma trajetória balística, ou seja, está em movimento descontrolado. A velocidade desejada e a direção do voo são comunicadas ao míssil balístico na fase ativa do voo pelo sistema de controle de voo do míssil. Depois de desligar o motor, o resto do caminho, a ogiva, que é a carga útil do foguete, segue uma trajetória balística. Os mísseis balísticos podem ser multiestágios, caso em que, após atingir uma determinada velocidade, os estágios gastos são descartados. Este esquema permite reduzir o peso atual do foguete, permitindo assim aumentar sua velocidade.
Durante sua história de quase mil anos de desenvolvimento, a tecnologia de foguetes percorreu um longo caminho desde as primitivas "flechas de fogo" até os mais poderosos veículos de lançamento modernos capazes de lançar naves espaciais de várias toneladas em órbita. O foguete foi inventado na China. A primeira informação documental sobre seu uso em combate está associada ao cerco pelos mongóis da cidade chinesa de Pien-King em 1232. Os foguetes chineses, que foram lançados da fortaleza e incutiram medo na cavalaria mongol, eram pequenos sacos cheios de pólvora e amarrados a uma flecha de arco comum. Seguindo os chineses, indianos e árabes começaram a usar foguetes incendiários, mas com a disseminação das armas de fogo, os foguetes perderam seu significado e foram forçados a deixar de uso militar amplo por muitos séculos.
Mais uma vez, o interesse pelo foguete como arma militar foi despertado no século 1804. Em 20, melhorias significativas no design do foguete foram feitas pelo oficial inglês William Congreve, que pela primeira vez na Europa conseguiu estabelecer a produção em massa de foguetes de combate. A massa de seus foguetes atingiu 3 kg e o alcance de voo - 1000 km. Com habilidade adequada, eles poderiam atingir alvos a uma distância de até 1807 m. Em 25, os britânicos usaram amplamente essas armas durante o bombardeio de Copenhague. Em pouco tempo, mais de XNUMX mil foguetes foram disparados contra a cidade, como resultado da qual a cidade foi quase completamente queimada. Mas logo o desenvolvimento de armas de fogo raiadas tornou o uso de mísseis ineficaz. Na segunda metade do século XNUMX, eles foram retirados de serviço na maioria dos estados. Novamente, por quase cem anos, o foguete foi aposentado. No entanto, vários projetos para o uso de propulsão a jato já naquela época surgiram de um ou outro inventor. Em 1903, o cientista russo Konstantin Tsiolkovsky publicou seu trabalho "Investigação do Espaço com Instrumentos Reativos". Nele, Tsiolkovsky não apenas previu que o foguete algum dia se tornaria o veículo que levaria uma pessoa ao espaço, mas também desenvolveu pela primeira vez um diagrama esquemático de um novo motor a jato de combustível líquido. Depois disso, em 1909, o cientista americano Robert Goddard expressou pela primeira vez a ideia de criar e usar um foguete de vários estágios. Em 1914, ele tirou uma patente para este projeto. A vantagem de usar vários estágios é que, após o estágio ficar sem combustível dos tanques, ele é descartado. Isso reduz a massa que deve ser acelerada para velocidades ainda mais altas. Em 1921, Goddard realizou os primeiros testes de seu motor a jato de propelente líquido, que funcionava com oxigênio líquido e éter. Em 1926, ele fez o primeiro lançamento público de um foguete com motor líquido, que, no entanto, subiu apenas 12 m. No futuro, Goddard prestou muita atenção à estabilidade e controlabilidade dos foguetes. Em 5, ele lançou o primeiro foguete com lemes giroscópicos. Por fim, seus foguetes, com peso inicial de até 1932 kg, atingiram uma altura de até 350 km. Na década de 3, o trabalho intensivo para melhorar os foguetes já estava em andamento em vários países. O princípio de funcionamento de um motor a jato de propelente líquido é, em termos gerais, muito simples. Combustível e oxidante estão em tanques separados. Sob alta pressão, eles são alimentados na câmara de combustão, onde são misturados intensivamente, evaporam, reagem e inflamam. Os gases quentes resultantes são lançados de volta através do bocal com grande força, o que leva ao aparecimento do empuxo do jato.
No entanto, a implementação real desses princípios simples esbarrou em grandes dificuldades técnicas, que os primeiros projetistas enfrentaram. O mais agudo deles foram os problemas de garantir a combustão estável do combustível na câmara de combustão e resfriar o próprio motor. Questões sobre combustível de alta energia para um motor de foguete e como fornecer componentes de combustível para a câmara de combustão também eram muito difíceis, pois para uma combustão completa com a liberação da quantidade máxima de calor, eles tinham que ser bem dispersos e misturados uniformemente entre si. outro em todo o volume da câmara. Além disso, era necessário desenvolver sistemas confiáveis que regulassem o funcionamento do motor e o controle do foguete. Foram necessários muitos experimentos, erros e falhas antes que todas essas dificuldades fossem superadas com sucesso. De um modo geral, os motores a propelente líquido também podem operar com um único componente, o chamado combustível unitário. Como tal, por exemplo, peróxido de hidrogênio concentrado ou hidrazina podem atuar. Quando combinado com um catalisador, o peróxido de hidrogênio H2O2 com uma grande liberação de calor se decompõe em oxigênio e água. Hidrazina N2H4 nestas condições, decompõe-se em hidrogénio, azoto e amoníaco. Mas vários testes mostraram que os motores que funcionam com dois componentes separados, um dos quais é um combustível e o outro um oxidante, são mais eficientes. Bons agentes oxidantes foram oxigênio líquido O2, ácido nítrico HNO3, vários óxidos de nitrogênio, bem como flúor líquido F2. Querosene, hidrogênio líquido H2, (em combinação com oxigênio líquido é um combustível extremamente eficiente), hidrazina e seus derivados. Nos estágios iniciais do desenvolvimento da tecnologia de foguetes, o álcool etílico ou metílico era frequentemente usado como combustível. Para melhor atomização e mistura do combustível (oxidante e combustível), foram utilizados bicos especiais localizados na frente da câmara de combustão (esta parte da câmara é chamada de cabeça do bico). Como regra, tinha uma forma plana, formada por muitos bicos. Todos esses bicos foram feitos na forma de tubos duplos para o fornecimento simultâneo de oxidante e combustível. A injeção de combustível ocorreu sob alta pressão. Pequenas gotículas de agente oxidante e combustível em alta temperatura evaporaram intensamente e entraram em uma reação química entre si. A combustão principal do combustível ocorre próximo ao cabeçote do injetor. Ao mesmo tempo, a temperatura e a pressão dos gases resultantes aumentaram bastante, que então entraram no bico e explodiram em alta velocidade. A pressão na câmara de combustão pode atingir centenas de atmosferas, portanto, o combustível e o oxidante devem ser fornecidos a uma pressão ainda maior. Para fazer isso, os primeiros foguetes usavam a pressurização de tanques de combustível com gás comprimido ou vapores dos próprios componentes propulsores (por exemplo, vapores de oxigênio líquido). Mais tarde, bombas especiais de alto desempenho e alta potência acionadas por turbinas a gás começaram a ser usadas. Para girar a turbina a gás no estágio inicial de operação do motor, o gás quente foi fornecido pelo gerador de gás. Mais tarde, eles começaram a usar gás quente formado a partir dos componentes do próprio combustível. Depois que a turbina acelerou, esse gás entrou na câmara de combustão e foi usado para acelerar o foguete. Inicialmente, eles tentaram resolver o problema do resfriamento do motor usando materiais especiais resistentes ao calor ou um refrigerante especial (por exemplo, água). No entanto, um método de resfriamento mais rentável e eficiente foi sendo encontrado gradativamente usando um dos componentes do próprio combustível. Antes de entrar na câmara, um dos componentes do combustível (por exemplo, oxigênio líquido) passou entre suas paredes interna e externa e levou consigo uma parte significativa do calor da parede interna mais submetida a estresse térmico. Esse sistema não foi elaborado imediatamente e, portanto, nos primeiros estágios da criação de foguetes, seus lançamentos eram frequentemente acompanhados de acidentes e explosões. Lemes de ar e gás foram usados para controlar os primeiros foguetes. Os lemes de gás estavam localizados na saída do bocal e criavam forças e momentos de controle ao desviar o jato de gás que fluía do motor. Em forma, pareciam as lâminas de um remo. Durante o voo, esses lemes rapidamente queimaram e desmoronaram. Portanto, no futuro, seu uso foi abandonado e começaram a ser usados motores de foguete de controle especial, capazes de girar em relação aos eixos de montagem. Na URSS, os experimentos sobre a criação de foguetes de propelente líquido começaram na década de 30. Em 1933, o Grupo de Estudos de Propulsão a Jato de Moscou (GIRD) desenvolveu e lançou o primeiro foguete soviético GIRD-09 (designers Sergei Korolev e Mikhail Tikhonravov). Este foguete, com um comprimento de 2 m e um diâmetro de 4 cm, tinha um peso de lançamento de 18 kg. A massa de combustível, consistindo de oxigênio líquido e gasolina condensada, era de aproximadamente 19 kg. O motor desenvolvia empuxo de até 5 kg e podia trabalhar 32-15 s. No primeiro lançamento, devido à queima da câmara de combustão, jatos de gás começaram a escapar pela lateral, o que levou ao bloqueio do foguete e seu voo suave. A altitude máxima de voo foi de 18 m. Nos anos seguintes, cientistas de foguetes soviéticos realizaram vários outros lançamentos. Infelizmente, em 1939, o Reactive Research Institute (no qual o GIRD foi transformado em 1933) foi derrotado pelo NKVD. Muitos designers foram enviados para prisões e campos. Korolev foi preso em julho de 1938. Juntamente com Valentin Glushko, o futuro projetista-chefe de motores de foguete, ele passou vários anos em um escritório de design especial em Kazan, onde Glushko foi listado como o projetista-chefe de sistemas de propulsão de aeronaves e Korolev como seu vice. Por algum tempo, o desenvolvimento da ciência de foguetes na URSS cessou. Resultados muito mais tangíveis foram alcançados por pesquisadores alemães. Em 1927, a Sociedade de Viagens Interplanetárias foi formada aqui, liderada por Wernher von Braun e Klaus Riedel. Com a chegada dos nazistas ao poder, esses cientistas começaram a trabalhar na criação de mísseis de combate. Em 1937, um centro de foguetes foi fundado em Peenemünde. Foram investidos 550 milhões de marcos em sua construção em quatro anos. Em 1943, o número de funcionários do núcleo em Peenemünde já era de 15. Ali estavam o maior túnel de vento da Europa e uma fábrica de produção de oxigênio líquido. O centro desenvolveu o projétil V-1, bem como o primeiro míssil balístico V-2 serial da história com um peso de lançamento de 12700 kg, como uma pedra lançada livremente). O trabalho no foguete começou em 1936, quando 120 funcionários e várias centenas de trabalhadores foram designados para ajudar Brown e Riedel. O primeiro lançamento experimental do V-2 ocorreu em 1942 e não teve sucesso. Devido à falha do sistema de controle, o foguete caiu no solo 1,5 minutos após o lançamento. Um novo começo em outubro de 1942 foi bem sucedido. O foguete subiu a uma altura de 96 km, atingiu um alcance de 190 km e explodiu a quatro km do alvo pretendido. Ao criar este foguete, foram feitas muitas descobertas, que foram amplamente utilizadas na ciência de foguetes, mas também houve muitas falhas. O Fau foi o primeiro a utilizar uma turbobomba para fornecer combustível à câmara de combustão (antes disso, costumava-se utilizar seu deslocamento com nitrogênio comprimido). O peróxido de hidrogênio foi usado para girar a turbina a gás. No início, eles tentaram resolver o problema do resfriamento do motor usando chapas de aço grossas com baixa condutividade térmica para as paredes da câmara de combustão. Mas as primeiras partidas mostraram que, por causa disso, o motor superaqueceu rapidamente. Para reduzir a temperatura de combustão, o álcool etílico tinha que ser diluído com 25% de água, o que, por sua vez, reduzia bastante a eficiência do motor.
Em janeiro de 1944, começou a produção em série de "V". Este míssil com alcance de até 300 km carregava uma ogiva de até 1 tonelada.A partir de setembro de 1944, os alemães começaram a bombardear o território britânico com eles. No total, foram fabricados 6100 mísseis e realizados 4300 lançamentos de combate. 1050 foguetes voaram para a Inglaterra e metade deles explodiu diretamente em Londres. Como resultado, cerca de 3 mil pessoas morreram e duas vezes mais ficaram feridas.
A velocidade máxima de voo do V-2 atingiu 1,5 km / s e a altitude de voo foi de cerca de 90 km. Os britânicos não tinham como interceptar ou derrubar esse míssil. Mas devido ao sistema de orientação imperfeito, eles acabaram sendo uma arma bastante ineficaz como um todo. No entanto, do ponto de vista do desenvolvimento da tecnologia de foguetes, os Vs representaram um gigantesco passo à frente. O principal era que o mundo acreditava no futuro dos mísseis. Após a guerra, a ciência do foguete recebeu apoio estatal poderoso em todos os estados. A princípio, os Estados Unidos se encontraram em condições mais favoráveis; muitos fogueteiros alemães, liderados pelo próprio Brown, foram entregues à América após a derrota da Alemanha, assim como vários Vs prontos. Esse potencial serviu de ponto de partida para o desenvolvimento da indústria de mísseis americana. Em 1949, tendo instalado um V-2 em um pequeno foguete de pesquisa Vak-Corporal, os americanos o lançaram a uma altitude de 400 km. Com base no mesmo "V", sob a liderança de Brown, o míssil balístico americano Viking foi criado em 1951, desenvolvendo uma velocidade de cerca de 6400 km / h. Em 1952, o mesmo Brown desenvolveu para os Estados Unidos o míssil balístico Redstone com alcance de até 900 km (foi este míssil que foi usado em 1958 como primeira etapa no lançamento do primeiro satélite americano, Explorer 1, em órbita) . A URSS teve que alcançar os americanos. A criação de seus próprios mísseis balísticos pesados aqui também começou com o estudo do V-2 alemão. Para isso, imediatamente após a vitória, um grupo de designers foi enviado para a Alemanha (incluindo Korolev e Glushko). É verdade que eles não conseguiram preparar um único "Fau" completo, mas de acordo com sinais indiretos e inúmeros testemunhos, a idéia de um bit era bastante completa. Em 1946, a URSS iniciou seu próprio trabalho intensivo na criação de mísseis balísticos guiados automaticamente de longo alcance. Organizado por Korolev, o NII-88 (mais tarde TsNIIMash em Podlipki, perto de Moscou, agora a cidade de Korolev) recebeu imediatamente fundos significativos e amplo apoio estatal. Em 1947, o primeiro míssil balístico soviético R-2 foi criado com base no V-1. Este primeiro sucesso veio com grande dificuldade. Durante o desenvolvimento do foguete, os engenheiros soviéticos enfrentaram muitos problemas.
A indústria soviética não produzia os tipos de aço necessários para a ciência de foguetes, não havia borracha e plásticos necessários. Enormes dificuldades surgiram ao trabalhar com oxigênio líquido, pois todos os óleos lubrificantes então disponíveis engrossaram instantaneamente em baixas temperaturas e os lemes pararam de funcionar. Tive que desenvolver novos tipos de óleos. A cultura geral de produção não correspondia de forma alguma ao nível da tecnologia de foguetes. A precisão das peças de fabricação, a qualidade da soldagem deixaram muito a desejar por muito tempo. Testes realizados em 1948 no local de testes de Kapustin Yar mostraram que o R-1 não só não superava o V-2, mas também era inferior a eles em muitos aspectos. Quase nenhuma das partidas correu bem. Lançamentos de alguns mísseis foram adiados muitas vezes devido a avarias. Dos 12 mísseis destinados a testes, apenas 9 foram lançados com grande dificuldade. Testes realizados em 1949 já deram resultados muito melhores: de 20 mísseis, 16 atingiram um determinado retângulo de 16 por 8 km. Não houve uma única falha ao ligar o motor. Mas mesmo depois disso, muito tempo se passou antes que eles aprendessem a projetar mísseis confiáveis que começassem, voassem e atingissem o alvo. Em 1949, com base no R-1, o foguete geofísico de alta altitude B-1A foi desenvolvido com um peso de lançamento de cerca de 14 toneladas (com um diâmetro de cerca de 1,5 m, tinha uma altura de 15 m). Em 1949, este foguete entregou um contêiner com instrumentos científicos a uma altitude de 102 km, que então retornou em segurança à Terra. Em 1950, o R-1 foi colocado em serviço. A partir desse momento, os cientistas de foguetes soviéticos já contavam com sua própria experiência e logo superaram não apenas seus professores alemães, mas também designers americanos. Em 1950, um míssil balístico R-2 fundamentalmente novo com um único tanque de transporte e uma ogiva destacável foi criado. (Os tanques de combustível no V eram suspensos, ou seja, não carregavam nenhuma carga de energia. Os projetistas soviéticos inicialmente adotaram esse esquema. Mas depois passaram a usar tanques de transporte, quando a casca externa, ou seja, o corpo do foguete, serviu como paredes dos tanques de combustível, ou, o que é o mesmo, os tanques de combustível compunham o corpo do foguete.) O R-2 tinha o dobro do tamanho do R-1, mas graças ao uso de ligas de alumínio especialmente projetadas, excedia seu peso em apenas 350 kg. Álcool etílico e oxigênio líquido ainda eram usados como combustível. Em 1953, o foguete R-5 com alcance de 1200 km foi colocado em serviço. O foguete geofísico V-5A criado em sua base (comprimento - 29 m, peso de lançamento de cerca de 29 toneladas) poderia elevar cargas a uma altura de até 500 km. Em 1956, foi testado o foguete R-5M, que pela primeira vez no mundo transportou uma ogiva com carga nuclear pelo espaço. Seu voo terminou com uma verdadeira explosão nuclear em uma determinada área do Aral Karakum, a 1200 km do local de lançamento. Korolev e Glushko receberam então as estrelas dos Heróis do Trabalho Socialista. Até meados da década de 50, todos os mísseis soviéticos eram de estágio único. Em 1957, um míssil balístico multi-estágio intercontinental de combate R-7 foi lançado com sucesso do novo cosmódromo em Baikonur. Este foguete, com cerca de 30 m de comprimento e pesando cerca de 270 toneladas, era constituído por quatro blocos laterais da primeira fase e um bloco central com motor próprio, que serviu de segunda fase. Na primeira etapa, foi utilizado o motor RD-107, na segunda etapa - RD-108 no combustível oxigênio-querosene. No início, todos os motores foram ligados simultaneamente e desenvolveram um empuxo de cerca de 400 toneladas.
As vantagens dos foguetes de múltiplos estágios sobre os de estágio único já foram discutidas acima. Há dois arranjos possíveis de etapas. No primeiro caso, o foguete mais massivo, localizado na parte inferior e disparado no início do vôo, é chamado de primeiro estágio. Normalmente, um segundo foguete de menor tamanho e massa é instalado nele, que serve como segundo estágio. Nele, por sua vez, um terceiro foguete pode ser colocado e assim por diante, dependendo de quantos estágios são necessários. Este é um tipo de foguete com um arranjo sequencial de estágios. O R-7 pertencia a um tipo diferente - com uma separação longitudinal de etapas. Blocos separados (motores e tanques de combustível) do primeiro estágio foram localizados ao redor do corpo do segundo estágio e, no início, os motores de ambos os estágios começaram a funcionar simultaneamente. Depois de ficar sem combustível, os blocos do primeiro estágio foram descartados e os motores do segundo estágio continuaram a funcionar. Alguns meses depois, no mesmo ano de 1957, foi esse foguete que lançou em órbita o primeiro satélite artificial da Terra da história. Autor: Ryzhov K.V.
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