Гравитационная физика. Эффект Оберта

Дескать, на принципе отдачи основано реактивное движение. С её и начнем.

При стрельбе из малокалиберной винтовки мы слышим слабый звук выстрела и совсем не ощущаем отдачу, чего никак нельзя сказать о стрельбе из пистолета Марголина этими же патронами.  Объясняется это не только разным весом оружия, но и тем, что ствол у винтовки относительно длинный и массивный, а пороховой заряд в патрончике бокового воспламенения маленький. Поэтому к моменту прохождения пулей дульного среза давление пороховых газов в холодном стволе падает и они покидают канал ствола с дозвуковой скоростью, то есть меньше 340 м/с. Примерно такая же и начальная скорость полёта пули. При скоростях меньших скорости звука ударная волна не возникает. Это мы знаем.

Сильная отдача при стрельбе из короткого ствола, как и сильный звук выстрела, объясняется большой скоростью истечения пороховых газов из канала ствола и большим их давлением. Всё просто. Стало быть, вес и скорость пули к величине отдачи отношения не имеют. Пока скажем так. И только благодаря тому, что пуля, находясь еще внутри ствола в момент выстрела, никак не влияет на отдачу, которой еще в это время и нет, мы и можем попасть точно в цель.

Задачки из школьных учебников, в условиях которых есть вес чугунного ядра, вес пушки… и  требуется вычислить силу отдачи, мы больше не решаем, так как при стрельбе из пушек лёгкими осиновыми чурочками при должной обтюрации отдача может быть ещё больше. Зато с удовольствием решаем примеры из практики, в которых фундаментальный закон сохранения импульса якобы нарушается. Например, объясняем эффект Оберта.

«Эффект Оберта проявляется в том, что ракетный двигатель, движущийся с высокой скоростью, создаёт больше полезной энергии, чем такой же двигатель, движущийся медленно». Это из Википедии. Мы скажем проще: парадокс эффекта Оберта в том, что чем больше скорость ракеты, тем существенно больше может быть сила реактивной тяги при постоянной скорости реактивной струи.

Однако немецкого физика Германа Оберта и его эффект мы, увы, вспоминаем только в связи с так называемым гравитационным (или пертурбационным) маневром. Этот маневр применяется чаще всего для разгона и изменения направления движения космических зондов в поле тяготения массивных небесных тел. Во время гравитационного разгона двигатели зонда  - в целях экономии горючего – включаются только во время максимального сближения зонда с планетой или звездой, когда скорость его итак уже достаточно велика. Только при этом и достигается максимальный экономический и энергетический эффект Оберта.

Несмотря на то, что эффективность такого приёма давно известна и сотни раз доказана, внятного объяснения природы и физической сути эффекта Оберта ещё не существует.

Возьмём охотничье ружьё 12-го калибра и немного постреляем. При этом мы сразу можем заметить, что отдача при стрельбе вверх значительно больше, чем при стрельбе вниз. И это понятно: стреляя вверх и заставляя пулю двигаться против действия силы тяжести, мы словно увеличиваем её вес. Это приводит к замедлению пули, увеличению давления пороховых газов в канале ствола в момент выстрела... и к увеличению отдачи ружья. Пуля при стрельбе вверх может вылететь и с меньшей скоростью, чем при стрельбе вниз. И ясно, что отдачу создаёт давление пороховых газов на дно гильзы, а не пуля и не закон сохранения импульса.

Вернёмся к космическим зондам. Зонд использует для приращения своей скорости силу тяжести планеты, двигаясь по направлению действия этой самой силы. Разогнавшись ускорением свободного падения и сблизившись с планетой, зонд включает реактивные двигатели. При этом скорость реактивной струи порядка 3 км/с, что сравнимо со скоростью газов при направленном взрыве.  Вот и получается, что зонд как бы выстреливает газы в направлении противоположном действию силы тяжести планеты.

Сравним частицы реактивной струи с маленькими пульками, имеющими вес. Выстреливая такими «пулями» вверх, зонд или ракета получает более сильное давление газов в камере сгорания, направленное вниз, к планете, как и при стрельбе из ружья вверх.

Таким образом, эффект Оберта обусловлен направлением движения ракеты к планете, замедлением скорости истечения реактивной струи силой тяжести планеты и приращением давления газов в камере сгорания реактивного двигателя за счёт этого замедления. Вот и выходит, что ракету толкает вперёд давление газов в камере сгорания. Думается, сам Герман Оберт это знал, ведь иначе такую тактику экономного и эффективного разгона космических аппаратов в поле тяготения небесных тел просто невозможно придумать. "Вояджеры" покинули пределы Солнечной системы, имея на борту лишь по 700 кг топлива. И в этом велика заслуга теоретика космических полётов Германа Оберта.

В настоящее время толкователи эффекта Оберта сходятся на зависимости скорости химических реакций от скорости ракеты, ибо им всем мерещатся какие-то релятивистские эффекты. Мы же говорили о зависимости силы реактивной тяги от направления движения ракеты в гравитационном пространстве. В дальнейшем принцип реактивного движения мы будем объяснять уже на атомарном уровне, то есть через энергию движения взаимного отталкивания атомов и молекул и действия на них "внешней" силы.

Математический закон сохранения импульса, следующий из третьего закона Ньютона, к природе реактивной тяги отношения не имеет. А что имеет?

Если стартовую массу ракеты разделить на площадь передней стенки камеры сгорания, мы получим «давление зависания» ракеты над стартовым столом. Масса ракеты с включённым двигателем быстро убывает, и ракета ускоряется. Таким образом, «давление зависания» - максимальное расчётное давление непрерывного взрыва смеси топлива и горючего в камере сгорания космического корабля, обеспечивающее медленный и комфортный старт экипажу на борту. У боевых ракет «давление старта» может в несколько раз превышать «давление зависания» и обеспечивать им старт даже с горизонтальных направляющих.

Давление непрерывного взрыва в камере сгорания, как и реактивная тяга, зависят от направления полёта ракеты в гравитационном пространстве планеты. При движении ракеты по направлению к планете, давление в камере сгорания повышается за счёт уменьшения скорости истечения реактивной струи, выбрасываемой против действия на неё силы тяжести планеты. При вертикальном старте ракеты с планеты, давление непрерывного взрыва в камере сгорания, как и реактивная тяга, всегда являются минимальными от возможных, так как направление реактивной струи и действие на неё силы тяжести планеты совпадают и обеспечивают максимальную скорость истечения реактивной струи. Стало быть, чем больше скорость реактивной струи, тем меньше реактивная тяга того же самого двигателя, и наоборот. Разумеется, этот вывод мы употребляем только в связи с ориентацией двигателя относительно центра гравитационного пространства.

Вот, пожалуй, и всё, что нужно знать конструктору реактивных двигателей о теории реактивного движения. А теперь, заглянем в учебники...