Текст книги "Искатель. 1964. Выпуск №5"

Автор книги: Артур Конан Дойл

Соавторы: Владимир Михайлов,Николай Коротеев,Борис Ляпунов,Гюнтер Продёль,Валентин Аккуратов,Д. Пипко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 13 страниц)

ПОБЕЖДАЯ САМИХ СЕБЯ…

Несколько лет назад в машинном зале одного из авиационных научно-исследовательских институтов ежедневно можно было услышать один и тот же диалог:

– Ну как?

– Держится.

– А ветер?

– На пределе.

– Пилот?

– Спит пилот.

– И держится?

– Стоит.

И снова люди вспарывали пеструю начинку электронных блоков, в десятый раз меняли схемы и программы, сверяли затертые диаграммы и графики и снова с надеждой и тревогой бросались к голубому экрану осциллографа. Но безжалостная молния, взлетев к самому обрезу экрана, каждый раз возвращалась вниз. И каждый раз все озабоченнее становились лица людей – для этого у них были веские основания…

Во время испытательного полета потерпел аварию один из новых высотных самолетов. Погибла машина, которая, казалось бы, не могла и не должна была погибнуть. Все говорило против случившегося: надежная конструкция и двигатели лайнера, оставшиеся позади серьезные испытания, высокое мастерство экипажа.

«Бросило! Падаем!..» – вот и все, что успел передать на землю радист. И эта короткая фраза заставила насторожиться конструкторов, инженеров, ученых.

В авиации есть такой термин – «полет в неспокойной атмосфере». В обиходе же смысл такой обтекаемой формулировки значительно точнее передается одним словом – «болтанка». Это один из самых давних и серьезных противников полета.

Летчиков сравнительно мало волнуют солнце и дождь. Но ветер всегда остается предметом особого внимания. Особенно с его восходящими и ниспадающими ураганами, страшным ветровым колесом. Оно внезапно обрушивает на машину стремительный, подобный удару кинжала поток, который может швырнуть самолет на несколько сотен метров вверх или вниз, сбросить в сторону или вздыбить, как норовистого коня. И горе пилоту, если он вовремя не вступит в борьбу: секундное промедление грозит тем, что органы управления самолетом уже не могут справиться с вынужденным «курбетом». Вот почему самолет проектируется с таким расчетом, чтобы болтанка ему была не страшна.

Точно так же проектировался и погибший самолет. Но тем загадочнее звучало донесшееся из эфира: «Бросило!..» По всем расчетам, машина должна была справиться с болтанкой. И если она не справилась, значит где-то скрывается коварный дефект. Ошибка в расчетах? И в конструкторском бюро тщательно проверяют ровные колонки цифр, продувают модели самолета в аэродинамических трубах, а летчики-испытатели готовятся отправиться на «близнеце» погибшего на поиск причины.

Одновременно приняли решение исследовать поведение самолета при болтанке и на специальной моделирующей электронной установке. Для этого все характеристики самолета сначала превратили в графики и формулы, которые затем были занесены в машину в виде строгого сочетания конденсаторов, сопротивлений, емкостей и прочих деталей электроники, – так родилась модель самолета. Аналогичным образом в память машины занесли модель полета и модель… летчика – в виде тех отклонений рулей, которыми пилот управляет. Была заложена в машину и модель болтанки.

За те годы, что существует авиация, ученые собрали достаточно богатую статистику всевозможных сюрпризов атмосферы. Изучили и то, какой мощности порывы ветра могут обрушиться на самолет на той или иной высоте. Все эти сведения после соответствующей обработки и позволили установить нормы, с помощью которых учитывается болтанка. Обычно эти нормы задаются в виде графика, глядя на который можно узнать, что наиболее мощные порывы ветра встречаются у земли, там, где сказывается влияние ландшафта нашей планеты: гор, морей, материков. А с подъемом на высоту эти порывы постепенно сходят на нет – не случайно пассажиры современных крылатых лайнеров почти не ощущают «неровностей» воздушных дорог. Вот такой-то график «нормированного порыва» и послужил прообразом модели болтанки.

Поначалу моделировался нормальный полет. На экране осциллографа тонкий луч вычерчивал ровную горизонтальную линию. Внезапно включался «порыв ветра». Он «вздыбливал» самолет. Линия на экране начинала искривляться кверху. Почувствовав, что самолет «бросило», «летчик» включался в работу, пытаясь с помощью рулей вернуть самолет в нормальное положение. Если это ему удавалось, линия на экране возвращалась вниз; если же самолет отказывался повиноваться, линия уходила вверх, за границу экрана.

Но линия упорно не желала уходить за экран, и в этом было самое удивительное. Самолет не желал терять устойчивость даже тогда, когда ветер был предельным, а пилот «спал» – включался в работу с громадным опозданием. Конечно, сначала машина реагировала на порыв – линия взлетала вверх, но потом неизменно возвращалась обратно. В чем дело? Ведь самолет, судя по всему, потерял устойчивость именно при попадании в болтанку! Почему ж он этого не делает сейчас? Ошибка в моделировании?..

Ошибку искали долго и упорно: меняли схему модели, десятки раз проверяли надежность работы самой электронной машины, учитывали уже такие нюансы полета, которые даже при более строгих экспериментах не берутся в расчет. И после каждого очередного усовершенствования неизменно повторялся диалог:

– Стоит?..

– Держится!..

Наконец, кто-то из молодых сотрудников не выдержал:

– А что, если ветер?.. – произнес он с таким видом, словно, отрешившись от всего земного, кинулся в пропасть.

На него зашикали:

– Ты что, смеешься? Мы и так взяли ветер «с запасом»!. Но криминальный вопрос давно мучил не только новичка – «корифеи» сами уже начали подозревать, что все дело в величине порыва. И так как иного выхода не было, решено было плюнуть на норму и взять ветер побольше.

И тут все пошло по-другому. Самолет начал «взбрыкивать» так, что «летчик» едва успевал парировать его «курбеты». А стоило ему промедлить, как зеленая молния стремительно вылетала за обрез экрана – машина теряла устойчивость и управляемость. Все получалось как будто бы так, как и следовало ожидать, если бы не порыв – он-то был больше нормированного, того, который согласно статистике можно было ожидать на больших высотах. Впрочем, что касается статистики, то говорят, что ложь бывает трех видов: просто ложь, ложь злостная и… статистика. Далеко не всегда последняя утверждает незыблемые истины…

Этот эпизод рассказан не случайно – путь авиационной науки и тех, кто движет ее, не так прост, как может показателя на первый взгляд. Часто чрезвычайно трудно отказаться от того, что мы называем установившимися понятиями и представлениями. Величие Н. Е. Жуковского состояло не только в том, что его могучее дарование объединило в себе логику математика, трезвый подход инженера, наблюдательность экспериментатора и талант педагога, – он сумел подняться над царившей в умах теорией Ньютона.

Отказ от господствующих представлений и сегодня доступен не каждому. А тем более он был труден тогда, когда речь шла о таком серьезном препятствии, как «звуковой барьер».

ОТ ЗВУКОВОГО К ТЕПЛОВОМУ

Появились реактивный двигатель и реактивные самолеты. Почти десять лет прошло с того дня, как летчик-испытатель Григорий Бахчиванджи поднял в небо первый ракетный самолет «БИ», созданный под руководством известного советского ученого и конструктора Виктора Федоровича Болховитинова. А в кругах авиационных специалистов разных стран все чаще поговаривали о новом скоростном кризисе. И действительность, казалось, и впрямь решила подтвердить эти прогнозы: все попытки достичь скорости звука оканчивались неудачей. Природа словно отгородила неприступной стеной область сверхзвуковых скоростей. И эта стена многим казалась непреодолимой – «звуковой барьер».

Аэродинамика всегда раскрывает свои законы с помощью графиков. Их лаконичный язык понятен ученым лучше, чем самое пространное объяснение. Вот на основании одного из таких графиков и родился пессимистичный прогноз о невозможности достичь скорости звука. На графике было показано, как растет лобовое сопротивление самолетов с увеличением скорости полета. И, глядя на этот рост, невольно приходилось задумываться: а что, если действительно «стена»? Кривая, характеризующая коэффициент лобового сопротивления, лишь слегка поднималась в области малых, дозвуковых скоростей, но зато при скоростях, близких к скорости звука, круто уходила вверх или, как говорят математики, в бесконечность. Конечно, никакие двигатели не смогли бы протолкнуть самолет через стену выросшего в десятки и согни раз сопротивления воздуха. Но действительно ли сопротивление должно быть таким огромным?

Вот тогда-то и родилась сказанная Владимиром Михайловичем Мясищевым фраза, которая сегодня по праву считается классической: «Барьеры существуют не столько в самой природе, сколько в наших знаниях. Такова диалектика развития…» Прошло совсем немного времени, и жизнь подтвердила справедливость этой мысли. Оказалось, что лобовое сопротивление действительно растет очень сильно, если штурмовать звуковой барьер на самолетах с дозвуковыми аэродинамическими формами. Но если эти формы изменить…

На «лабораторном столе» аэродинамиков родились формы сверхзвуковых самолетов: тонкие и короткие крылья, фюзеляжи с большим удлинением, фонари пилотских кабин с заостренной передней кромкой и воздухозаборники двигателей с регулируемым входным и выходными отверстиями. А в результате крутая стена сопротивления на графике превратилась в едва заметный бугорок, подобный арочному мосту, переброшенному в зазвуковую область.

Но не только аэродинамика штурмовала звуковой барьер. Самые разные профессии пришлось созвать под свои знамена авиационной науке: слишком уж необычным было поведение самолетов в новой для человечества области скоростей. «Вдруг самолет затрясся, словно пулемет при стрельбе… Скорость, которую я навязываю ему, приближается к скорости звука, и самолет дрожит – он определенно находится на грани разрушения. Бог неба держит нас в зубах, и земля подо мной конвульсивно содрогается. От этой проклятой тряски самолет разлетится в куски… Инстинктивно хочу убавить скорость… Газ убрать, воздушные тормоза выпустить! Тряска усиливается, меня словно бьет в конвульсиях… Я тяну ручку управления на себя. Господи, еще хуже… Я жду. Немного приподнимаю нос самолета. Снова жду… Так! Внезапно наступает тишина. Почему?..» Так описывает приближение к звуковому барьеру американский летчик-испытатель У. Бриджмен в своей книге «Один в бескрайнем небе».

Почему прекратилась тряска, почему машины – неожиданно теряют устойчивость, почему «захлебываются» компрессоры двигателей и горят лопатки турбин?.. Понадобились годы упорных исканий, прежде чем сверхзвук был окончательно покорен. Впрочем, конструкторам здесь еще много работы. Лишь сравнительно небольшое число машин достигает сегодня скоростей порядка 1500, 1700, 2000 или 2500 километров в час. И перед этими стремительными птицами уже выросло новое препятствие – тепловой барьер.

Воздух, столь податливый на малых скоростях, обретает в сверхзвуковом полете невиданную «твердость». Разрезая его упругую стену, носки крыльев нагреваются до температур в несколько сотен градусов. Немногим меньше температура трения воздуха об обшивку. Самые лучшие материалы не в состоянии выдержать упорных тепловых «атак»: алюминиевые сплавы становятся податливыми, как воск, теряют прочность сталь и титан.

Кинетический нагрев зависит от скорости полета и плотности разрезаемого крылом воздуха. Плотность падает с высотой, одновременно уменьшается и нагрев. Так возник «тепловой пол» самолетов – температурная граница сверхзвукового полета. Конечно, эта граница временная, ее определяет термостойкость тех материалов, которыми человек располагает сегодня. Но как только наука найдет материалы, способные сохранять достаточную прочность при более высоких температурах, так «тепловой пол» немедленно опустится на меньшие высоты.

Казалось бы, выход найден: большие высоты – обширное поле для громадных скоростей. Но это только так кажется. На больших высотах, в разреженных слоях атмосферы, маленькие крылья скоростных машин отказываются создавать необходимую подъемную силу. Так на больших высотах выросла еще одна граница – «потолок крыльев», – выше которой могут «жить» лишь баллистические снаряды и спутники. Природа отвела скоростным крыльям человека лишь узкий «коридор», в котором трудно развернуться, когда речь заходит о сверхзвуковом пассажирском сообщении.

Большинству пассажиров Аэрофлота хорошо знаком высотный полет – они отлично чувствуют себя в герметизированных салонах «ТУ», «ИЛов», «АНов», бороздящих небо в нескольких километрах от земли.

Но как только скорость полета вырастет до сверхзвуковой, пассажирские машины уйдут по границе «теплового пола» все выше и выше, туда, где меньше лобовое сопротивление и кинетический нагрев конструкции.

Атмосферное давление быстро падает с высотой. И для того чтобы обеспечить нормальные условия для пассажиров, высотные машины снабжают специальными устройствами, поддерживающими в салонах если не земное, то, во всяком случае, близкое к нему давление, а сами салоны делают герметическими. Проблема герметизации встает перед конструкторами сверхзвуковых машин во всей своей остроте.

Стоит нарушить герметичность, как воздух со страшной силой устремляется в разреженное пространство за бортом. В практике одной из зарубежных авиалиний известен даже такой случай. В полете был поврежден иллюминатор. Поток воздуха, вырвавшийся наружу, увлек за собой пассажира, сидевшего вблизи иллюминатора, и выбросил его за борт. Конечно, подобные происшествия – исключение. Да и не в них главная опасность. В случае нарушения герметизации резко упадет давление в кабинах и перед пассажирами возникнет угроза «кислородного голода».

Правда, случись подобное происшествие сегодня, ничего особенного не произойдет: пилоты немедленно начнут снижаться до безопасной для жизни и здоровья пассажиров высоты. Дозвуковые машины позволяют это сделать без особого труда: уменьшаются обороты двигателей, навстречу потоку уходят воздушные тормоза, и, теряя скорость, самолет быстро планирует к земле. А в те короткие минуты, что тратятся на этот маневр, на помощь пассажирам приходят аварийные кислородные приборы.

Сегодня все просто. Но когда разговор заходит о сверхзвуковом полете, эта простота оборачивается невероятными трудностями. Мало того, что быстро погасить большую скорость машины достаточно сложно: резкого торможения при снижении не перенесут сами пассажиры. А при медленном торможении снижающийся самолет неизбежно упрется в «тепловой пол». Выход один – обеспечить максимальную надежность герметизации кабин. Но как это сделать? И взоры конструкторов вот уже в который раз обращаются к потенциальным источникам разгерметизации – отверстиям в фюзеляже: как уменьшить их количество? От дверных проемов, конечно, освободиться не удастся. А от окон?..

Как часто пассажиры пользуются окнами? Пожалуй, только тогда, когда самолет стоит или движется по земле. А в полете в лучшем случае заглянут раз-другой, чтобы удостовериться в сохранности крыльев и моторов. Словом, окна пассажирских салонов – это скорее дань комфорту. Так само собой напрашивается решение – отказаться от окон.

Ученые и инженеры предлагают заменить окна экранами телевизоров. Эксперимент с установкой телевизоров недавно был проведен в Японии. А те расчетные исследования, которые выполнены в США, показывают, что только экономия в весе конструкции за счет отказа от оконных проемов окупит установку телевизионных экранов для каждого пассажира. Если один из членов экипажа будет время от времени управлять приемочной телевизионной камерой, сопровождая показ комментариями, то это даст пассажирам гораздо лучшее представление о том, что происходит в полете или во время стоянки на земле, чем любое сочетание окон.

Кстати сказать, телевизор не единственная возможность заменить окна. Дело в том, что полет в сверхзвуковом самолете будет продолжаться сравнительно недолго – максимум два-три часа. И это время можно использовать для демонстрации кинофильмов. У нас в стране, пожалуй, впервые в мире проводилась опытная демонстрация кинофильмов в самолете «АН-10» – его просторный салон с приподнятыми задними рядами кресел как нельзя лучше подходит на роль зрительного зала. Конечно, все это пока отдельные эксперименты.

Проблема герметизации, бесспорно, очень важна, но ее решение и при сохранении окон в принципе уже есть. А вот целый ряд других проблем сверхзвукового пассажирского сообщения – здесь вопрос пока еще остается открытым. Вот одна из таких проблем и… новый барьер на пути авиации.

ШУМ И КРЫЛЬЯ…

Эта сенсация стоила Канаде ровно миллион долларов. Сверхзвуковой истребитель «F-104» пролетел над столицей страны, после чего опытное строящееся здание уменьшилось на величину, которую в обтекаемых газетных формулировках называют «сильными повреждениями». Эти-то повреждения и были оценены в звенящий круглый миллион.

Происшествие в Оттаве, возможно, скоро бы и забылось, если бы не причины, которые его вызвали. А эти причины были достаточно серьезными. Особенно для тех, кто работает сегодня над проектами сверхзвуковых пассажирских самолетов. И не случайно в опубликованной вскоре статье Флойда, главного инженера группы перспективного проектирования английской фирмы «Хоукер-Сиддли», говорилось:

«Полеты сверхзвуковых гражданских самолетов над странами с большой плотностью населения вызовут серьезные возражения, поскольку они отразятся на менее здоровых людях. Многие из них перебрались бы в более спокойные районы страны, но назвать такое место, в будущем свободное от частых звуковых ударов, просто невозможно…»

Итак, звуковой удар. Прежде чем сверхзвуковая пассажирская авиация получит право на жизнь, нужно научиться бороться с ним. Но чтобы бороться, надо прежде всего познать его природу, законы, поведение. Именно эту серьезную задачу в упорном поиске решают ученые и инженеры многих стран мира.

Рассекая воздух своим носом или крылом, самолет заставляет колебаться его частицы. И эти колебания распространяются во все стороны со скоростью звука. Если скорость самолета меньше звуковой, то колебания, естественно, обгоняют его и как бы подготавливают воздушный поток к встрече с машиной. Вот почему воздух так плавно обтекает формы дозвуковых самолетов. Иное дело сверхзвуковые скорости. Колеблющиеся частицы уже не успевают обогнать самолет и накапливаются перед носом фюзеляжа или крыла, образуя плотную стену – ударную волну. У этой волны есть и другое название – «скачок уплотнения». А появилось оно вот почему: если перед волной воздух имеет обычное, атмосферное давление, то за ней это давление может быть в десятки раз больше.

Вот этому-то повышенному давлению за ударной волной и обязан своим рождением новый барьер авиации – «шумовой».

Наше ухо очень чутко реагирует на малейшие изменения давления, но еще более чувствительно оно к скорости, с которой это давление изменяется. У человека, попавшего под тянущийся по земле шлейф ударной волны от сверхзвукового самолета, ухо воспринимает повышение давления в принципе так же, как удары грома. Все дело осложняется тем, что переход от нормального давления к повышенному здесь происходит мгновенно, а удару грома обычно предшествует молния, которая как бы подготавливает: внимание, ждите удара!

Да, у ударной волны нет предупредительных сигналов. Возможно, поэтому разные люди и реагируют на звуковой удар по-разному. Так, в разных местах в Соединенных Штатах реакция людей на звуковой удар была различной, хотя экспериментальный самолет все время летел на одной высоте и с постоянной скоростью.

Все это невероятно усложняет работу исследователей: очень трудно по таким отзывам установить допустимую величину звукового удара. А ведь им нужно учесть не только реакцию людей. Птицы, животные и даже… оконные стекла – как отразится на них звуковой удар?

Вряд ли кто-нибудь придет в восторг, если от пролетающего над домом самолета вылетит стекло в окне, а посуда в шкафу будет выбивать барабанную дробь. Необходимо оградить население от неприятных воздействий. Пока тщательные исследования позволили установить четыре основные причины, определяющие интенсивность звукового удара: это скорость самолета, его вес, форма и высота полета.

Скорость полета мало влияет на интенсивность звукового удара, если, конечно, ее не свести до минимума – сделать всего на десять-двадцать процентов больше скорости звука. Но при этом самолет будет вынужден все время преодолевать тот самый «бугорок» сопротивления, в который превратился «звуковой барьер». А кроме того, обладая такой сравнительно небольшой скоростью, сверхзвуковой самолет не будет иметь никаких преимуществ перед дозвуковыми машинами.

Точно так же мало влияет на величину звукового удара и уменьшение веса: результаты получаются ощутимыми лишь тогда, когда все сводится к самолету, рассчитанному всего на 40–50 пассажиров. Существенного влияния здесь нельзя добиться и изменяя форму самолета; волей-неволей приходится его снабжать фюзеляжем, в котором бы могли разместиться пассажиры. Остается старый и верный союзник авиации больших скоростей – высота. И это понятно: чем выше летит самолет, тем большее расстояние проходит ударная волна, прежде чем попадет на землю. А пока она преодолеет этот путь, ее интенсивность уменьшится во много раз.

Правда, безопасные высоты полета оказались довольно большими: для самолетов с утроенной звуковой скоростью-порядка двадцати пяти километров, а если скорость только вдвое больше звуковой – двадцать километров. Сами по себе эти высоты не очень смущают конструкторов – современные самолеты летают и выше. Но вот этапы набора высоты и снижения выдвигают целый ряд проблем.

Нужно сказать, что даже небольшое снижение самолета с безопасной высоты приводит к весьма существенному уменьшению допустимых скоростей полета. А это означает, что самолет должен обладать способностью держаться на достаточно большой высоте при сравнительно малой скорости. И если вспомнить о существовании «потолка крыла», то становится ясным, что для того, чтобы обеспечить необходимую подъемную силу, сверхзвуковые машины придется снабжать довольно большими крыльями. «Часть» этих крыльев в горизонтальном полете будет не только не нужна, но и превратится в бесполезный груз и дополнительное сопротивление.

Кроме того, набор высоты и снижение по границам «шумового пола» будут продолжаться значительно дольше, чем если бы этих ограничений не было, и расходы топлива при этом сильно вырастут.

Правда, в последнее время ученые разных стран начали возлагать большие надежды на самолеты с так называемым «крылом изменяемой геометрии», которое позволяет управлять аэродинамическими характеристиками самолета в зависимости от высоты и скорости полета.

Вот один из проектов такого самолета. Глядя сверху на его треугольное крыло, кажется, будто оно составлено из двух частей – стреловидного крыла и поставленного к нему впритык хвостового горизонтального оперения. Собственно, так оно и есть: стреловидные части треугольного крыла «живут» своей самостоятельной «жизнью». На взлете эти плоскости раздвигаются, уходят вперед, и самолет становится похожим на наши дозвуковые машины с достаточно длинными крыльями. У таких крыльев несущие свойства примерно в полтора раза выше, чем у треугольных. А в переводе на аэродромный «язык» это означает, что такому самолету потребуются взлетно-посадочные полосы примерно такой же длины, как и у современных транспортных самолетов. Это огромное достоинство.

После взлета, по мере того как самолет с таким крылом будет разгоняться, поворотные плоскости постепенно будут «складываться», сдвигаться, сохраняя все время наивыгоднейший угол стреловидности и строго необходимую подъемную силу. Это-то и даст возможность обогнуть границы «шумового пола» без особых потерь топлива. Конечно, все эти преимущества должны быть оплачены дорогой ценой – сложными и тяжелыми механизмами поворота плоскостей. Но, может быть, именно это и будет самая приемлемая плата за совершенство.

Впрочем, что вообще скрывается за этим понятием – «совершенство»? Едва покинувший цехи завода опытный самолет еще только готовится к первому полету, а у создавших его людей уже масса новых идей, замыслов, решений. И если им поручить спроектировать машину примерно такого же типа, то они сделают ее еще лучше, надежнее и, конечно, совершеннее. Так что ж это такое – «совершенство»?..