Текст книги "Борьба за скорость"
Автор книги: Борис Ляпунов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 17 страниц)
Откуда взялось это выражение? Почему речь идет о «барьере»?
Отчасти это должно быть понятно. Мы уже говорили об опасностях, ждущих самолет у околозвуковых скоростей. Но барьером скорость звука стали называть не только потому, что с подходом к ней резко растет сопротивление. Когда появились реактивные двигатели, самолет, казалось, получил средство пробиться через «барьер» сопротивления. Мощности двигателя теперь ему вполне бы хватило.
Однако это еще не все. Устойчивость, управляемость, прочность– вот где оказалось слабое место.
Изменение профиля крыла с ростом скорости – от первых самолетов до современных скоростных и сверхзвуковых (сверху вниз).
В 1945 году самолет полетел со скоростью 975 километров в час.
При этом он испытывал сильные толчки, большие перегрузки, а пилота удерживали в кабине лишь ремни, которыми он был привязан. Рули не слушались летчика, ходили ходуном, ручка управления вырывалась из рук. Хорошо еще, что рекордные полеты на скорость короткие – всего 3 километра… Долго так не пролетишь.
Тогда англичане решили пробиться через звуковой барьер на другом самолете – бесхвостке. Ничего не вышло: самолет рассыпался, летчик погиб.
И некоторые недальновидные зарубежные ученые заявили, что скорость звука и сверхзвуковые скорости – недостижимы. Звуковой барьер, – утверждали они, – непреодолимая преграда.
Жизнь опровергла эти теории.
Те, кто не верил в управляемый по. лет на больших околозвуковых скоростях, не понимали одного.
Для околозвуковых скоростей нужен и новый самолет.
Аэродинамики и конструкторы создали самолеты новых форм – прочные, устойчивые, управляемые.
И они вплотную подошли к скорости звука.
Но возможно ли полететь быстрее звука?
Да, отвечает авиационная техника. Но для сверхзвуковых скоростей опять понадобится новый самолет.
Чтобы понять это, снова заглянем в аэродинамическую лабораторию, где есть трубы сверхзвуковых скоростей.
Трубы околозвуковых скоростей требуют большой затраты мощности на нагнетание воздуха. Когда нужны сверхзвуковые скорости, мощность возрастает еще больше.
Для снижения ее прибегают к разным приемам. Испытания ведут не при атмосферном, а при пониженном давлении. Вместо воздуха берут газ, где скорость звука меньше, чем в воздухе.
Картина, которую наблюдают в трубе с пониженной плотностью или газом, позволяет судить о поведении модели при сверхзвуковой скорости.
Но при этом встречаются и большие трудности. Например, газ в трубе так разогревается, что для охлаждения нередко требуется целая река воды.
Чтобы увидеть, как идет обтекание при сверхзвуковых скоростях, достаточно лишь на короткое время получить воздушный поток. Поэтому воспользуемся трубой кратковременного действия, где сжатый воздух, выпущенный из баллонов, расширяясь, создает такой поток.
Знакомая картина! На модели появились скачки уплотнения, но они «мощнее» и тянутся дальше, чем при дозвуковых скоростях. Значит, при сверхзвуковом полете опять встретимся с дополнительным сопротивлением.
Однако есть большое различие между дозвуковым и сверхзвуковым сопротивлением.
Мы сказали, что главная причина сопротивления при дозвуковых скоростях – разрежение позади тела. Наоборот, главное при движении быстрее звука – повышение давления у передней части тела. И потому нужно его спереди заострять. Чем острее передняя часть, тем меньше сопротивление воздуха.
В сверхзвуковых течениях многое обратно тому, что наблюдается в дозвуковых.
В дозвуковых, чтобы увеличить скорость, нужно сечение трубы уменьшить: река течет быстрее там, где уже русло. В сверхзвуковых – наоборот.
В дозвуковом потоке самолет при движении вызывает изменения давления окружающего воздуха, возмущения, которые расходятся во все стороны, обгоняют его, двигаясь со скоростью звука. В сверхзвуковом – эти изменения не могут перегнать самолет, ибо он сам летит быстрее звука.
Но ведь части самолета взаимно влияют друг на друга при обтекании. У биплана, скажем, крылья обтекаются различно, не так, как каждое из них в отдельности. Возмущения от одного крыла доходят до другого и обратно. А для сверхзвукового потока можно устроить такой биплан, в котором крылья «мешать» друг другу не будут.
Какую же форму должен будет иметь сверхзвуковой самолет?
Предполагают, что это будет самолет с удлиненным веретенообразным фюзеляжем, тонкими, стреловидными, небольшими крыльями, имеющими профиль в виде ромба или треугольника. Возможно, что это будет «летающее крыло» – треугольник, если посмотреть на него сверху, или «летающий фюзеляж», у которого подъемная сила создается реактивной тягой двигателя. Возможно, что оперение переместится из хвостовой части фюзеляжа вперед.
Еще трудно себе представить такую машину. Но как сейчас мы уже привыкли к «необычным» самолетам околозвуковых скоростей, так станут в будущем привычными и новые сверхзвуковые самолеты. И так же, как аэродинамика справилась с задачей создания самолета больших околозвуковых скоростей, – справится она и с задачей полета быстрее звука.
Возможный вид сверхзвукового самолета.
Не только новые формы, но и новый двигатель будет нужен для сверхзвукового полета. Ориентировочные подсчеты показывают, что понадобятся мощности порядка 18–24 тысяч лошадиных сил.
Есть ли двигатель такой мощности?
Да. Это прямоточный воздушно-реактивный двигатель и ракетный двигатель на жидком топливе.
Воздух, идущий в воздушно-реактивный двигатель, надо сжать. При сверхзвуковой скорости воздух сожмется благодаря скачку уплотнения, который «сядет» у входа в двигатель. За скачком скорость будет уже дозвуковой. Если дальше воздух пойдет через расширяющийся канал, то скорость его еще упадет, а давление возрастет. И в следующую часть двигателя – камеру сгорания – поступает сжатый воздух. Остается впрыснуть топливо, зажечь его и заставить газы вытекать через сопло. Отдача вытекающего газового потока создает тягу.
Такой прямоточный двигатель, самый простой из воздушно-реактивных, появится на сверхзвуковом самолете.
Предполагают, что вес его составит всего 0,05 килограмма на лошадиную силу. Это примерно в 10 раз меньше, чем у современного поршневого двигателя с винтом. При небольшом весе, всего 1 200 килограммов, огромная мощность – 24 тысячи сил. Двигатель с газовой турбиной такой мощности весил бы вдвое больше.
Прямоточный двигатель на малых скоростях беспомощен: слишком мал тогда напор воздуха, мало его сжатие. Поэтому стартовые двигатели-ускорители будут поднимать самолет в воздух. С ростом скорости сильнее давление воздуха – и двигатель начнет работать.
Можно ожидать, что это будет лучший двигатель для сверхзвуковых скоростей – достаточно мощный, легкий и простой, чтобы обеспечить полеты на высотах в два-три десятка километров со скоростью в 2–3 тысячи – километров в час.
А чтобы полететь еще быстрее, нужно летать еще выше.
И до сих пор борьба за скорость полета была в то же время борьбой за высоту.
Сопротивление воздуха зависит не от одной только скорости, но и от плотности среды. Воздух – друг, он создает подъемную силу, и в то же время враг – мешает полету. В разреженном воздухе легче летать, чем в плотном, – меньше сопротивление.
Современные самолеты оборудуются герметическими кабинами, дающими возможность человеку жить на больших высотах, в стратосфере.
Герметическая кабина – это маленький кусочек земного мира в стратосфере, где гибнет все живое. В ней искусственно создается атмосфера: нагнетатель накачивает воздух, поддерживает постоянное давление в кабине. Бывают кабины, где воздух не засасывается снаружи, а очищается от углекислого газа химическим очистителем и обогащается кислородом, запасенным в баллонах.
Самолет с прямоточным воздушно-реактивным двигателем для сверхзвуковых скоростей.
Но воздухом, кислородом дышит не только человек. Им дышит и двигатель.
Чем выше, чем разреженнее воздух, тем меньше кислорода в нем, и двигатель, которому нужен воздух для сгорания топлива, будет задыхаться уже на высоте в 5–6 километров.
Инженеры снабдили поршневой авиационный мотор нагнетателем, сжимающим и подающим воздух в цилиндры, помогающим мотору дышать. В газотурбинном двигателе есть свой нагнетатель – компрессор. В прямоточном его нет, здесь воздух сжимается скоростным напором.
Плотность воздуха, однако, быстро падает с высотой. Поднявшись на 22 километра, наши отважные советские стратонавты оставили под собой 9/10 всей массы воздуха. На высоте около 50 километров давление в тысячу раз меньше, чем у поверхности Земли. На высоте 200–250 километров – в миллион раз.
Поэтому «потолок» прямоточного воздушно-реактивного двигателя ограничен. Выше 30 километров он вряд ли сможет работать. А между тем, именно на огромных высотах, в 100–200 километров, можно было бы летать еще быстрее. 10 тысяч километров в час, беспосадочный кругосветный перелет за несколько часов – таковы перспективы освоения этих высот. Там, где воздуха почти нет, где ничто не мешает полету, можно полететь со скоростью почти космической.
Сверхвысотный самолет будет кораблем заатмосферным, он весь свой путь проделает в межпланетном пространстве. Лишь начало и конец его пути проходят в атмосфере.
Может ли быть создан такой корабль для сверхбыстрых, сверхдальних перелетов? Да, отвечает советская авиационная техника. Это самолет с жидкостным ракетным двигателем. И самолет-ракета есть уже сейчас.
Вот как произошло его воздушное крещение.
«…Под сводами ангара стоял новый самолет… У самолета не было пропеллера, не было и обычного мотора. Только в угловато-отсеченном днище фюзеляжа угадывался какой-то необычайный двигатель…
Появление нового самолета взволновало летчиков-испытателей, конструкторов и инженеров. „Вот он, – почтительно говорили о самолете. – Увидел бы его Циолковский!“
…И вот настал день испытаний… Изрыгнув огненную струю, самолет сорвался с места и, как всем показалось, не взлетел, а вонзился в небо. Это был не привычный взлет, а скорее выстрел крылатой ракетой. От колоссальной скорости у летчика захватило дыхание. Все обычные ощущения полета исчезли – не было рева и гула мотора, не было вибрации всего самолета, которая сопутствует полету…
С ураганной скоростью мелькали земные ориентиры, едва показавшиеся облака исчезали, и вдруг стало ясно – за несколько минут самолет покрыл большое расстояние и нужно было возвращаться.
Самолет зашел на посадку. Но… новый самолет опережал не только действия летчика, но и его мысль. Едва он стал выравнивать машину, готовясь посадить ее на три точки, как оказалось, что аэродром уже остался позади.
…Какая огромная скорость! Только бы не проскочить аэродром, только бы не упустить мгновения и опуститься на дорожку.
И вот самолет катится по бетону. Полет окончен.
Летчика засыпали вопросами. На него смотрели с восторгом и удивлением, как когда-то смотрели на первых стратонавтов.
Новая страница в истории авиации была открыта»[2]2
«270 испытаний». «Комсомольская правда», 16 июля 1948 г., № 167.
[Закрыть].
Ракетный двигатель открыл «эру аэропланов реактивных», о которой мечтал Циолковский.
Все тепловые двигатели дышат воздухом из атмосферы. А жидкостный ракетный двигатель – двигатель необычный – возит кислород для дыхания с собой.
Не воздух, а жидкий окислитель, содержащий кислород, подается в камеру сгорания. Поэтому нет «потолка» у такого двигателя, как и нет предела наибольшей скорости ракетного самолета, если он летит в пустоте. Не высота ограничивает его подъем и не сопротивление воздуха ограничивает его скорость, а лишь запас горючего, запас кислорода.
Это теоретически доказал Циолковский.
Это подтвердила жизнь.
Ракеты, поднимающиеся на высоты в несколько сот километров, стали первыми летательными аппаратами, проникнувшими через звуковой барьер. Их наибольшая скорость почти впятеро превышает скорость звука.
Впрочем, скорость звука – не мерка там, где звука быть не может. Ракеты летают на таких высотах, где воздуха практически почти нет. Они уже совершают прыжки за атмосферу.
Ракетный двигатель на жидком топливе.
Пассажиры ракет пока что еще приборы. Пролетая атмосферу, они докладывают о воздухе больших высот, куда никто, кроме ракет, не сможет забраться. Выбравшись за атмосферу, они докладывают о том, как выглядит наша планета из мирового пространства, как ведут себя там космические и солнечные лучи, каков мир вокруг нас.
Не только службу разведчиков высот несут ракеты. Они служат летающими аэродинамическими лабораториями больших скоростей.
Радио связывает эти лаборатории без человека с землей, с людьми. С помощью радио управляют их полетом, передаются на землю показания приборов, следящих за поведением модели, крыла или самолета, которая несется вместе с ракетой в воздушных просторах. Ракеты служат и для полетных испытаний прямоточных двигателей.
В большой высотной ракете место отсека с приборами займет герметическая кабина. В ней поднимется человек на разведку самых высоких слоев воздушного океана, куда не проникнут воздушные шары – стратостаты.
А вслед за разведчиками-ракетами на неизведанные высоты проникнут и ракеты-самолеты, крылатые ракеты.
Сверхзвуковые ракетные самолеты смогут, конечно, летать и в атмосфере.
Строителям такого самолета придется сделать многое.
Мощный ракетный двигатель легок. Так, например, один из построенных двигателей развивал при скорости самолета 900 километров в час мощность до 5 тысяч лошадиных сил, а весил всего 1160 килограммов.
Но ракетный двигатель «прожорлив» – он расходует очень много топлива. За одну минуту опорожняются баки большой высотной ракеты, а в них 3 тонны топлива. Вот почему это своего рода «выстрел». А от выстрела до настоящего полета – далеко. Много предстоит еще поработать конструкторам ракетных двигателей.
Большой вес топлива утяжеляет самолет, перегружает крылья, затрудняет старт самолета. Нужны стартовые ускорители, чтобы помочь самолету взлететь. Ускорители можно применить и в полете – составная ракета-самолет наберет постепенно большую скорость и пролетит дальше, чем ракета-одиночка.
Надо обеспечить и благополучную посадку сверхскоростного самолета. Он приземляется с гораздо большей скоростью, чем обычный самолет, и посадка осложняется. Конструкторы применили, например, на ракетном самолете посадочную лыжу. Она выдвигается специальным гидравлическим механизмом.
И о летчике сверхвысотного, сверхскоростного самолета нужно особо позаботиться. Нужно оборудовать герметическую кабину, совершенно не пропускающую воздух, смягчить вредное действие больших перегрузок, подумать и о спасении экипажа на случай аварии.
Все это при сверхзвуковых скоростях и на больших высотах очень сложные проблемы.
Ведь выброситься с парашютом можно не на любой, сколь угодно большой скорости. Есть предел, который ставит перегрузка. Значит, чтобы благополучно выбраться из самолета, необходимо в случае аварии быстро его затормозить. Это можно будет сделать остановкой двигателя и специальными тормозными устройствами. Можно и выбрасывать с самолета герметическую кабину с летчиком, облегчая спуск в разреженном воздухе больших высот.
Трудно описать полет сверхвысотной крылатой ракеты. Мало еще данных, чтобы говорить с уверенностью, как он будет происходить.
Предполагают, что будет не полет, а гигантский прыжок – из атмосферы и обратно. В пустоте ракета пролетит почти весь свой путь.
Предполагают, что ракетный самолет полетит, как камень, брошенный вдоль поверхности воды: подпрыгнет несколько раз, прежде чем остановится. Выпрыгнув за атмосферу, самолет снова опустится, чтобы, оттолкнувшись от воздуха, снова подняться. Ведь когда он опустится в плотный воздух, подъемная сила крыльев возрастет, увеличится и высота. И так, постепенно снижаясь, он гигантскими прыжками, не тратя горючего, покроет огромное расстояние, прежде чем приземлится.
Но если мы еще не знаем, как будут летать будущие самолеты, то твердо знаем, что они нам дадут.
Ракетный самолет – это ступень к межпланетному ракетному кораблю. Ракетная техника сомкнется с авиацией. Об этом говорил, об этом мечтал Циолковский.
Старт реактивного самолета будущего.
Сначала взлеты на большую высоту и даже за пределы атмосферы, с последующим планированием, говорил он. Потом ракета – спутник Земли – и первый космический рейс. Сначала полеты в стратосфере, потом – за атмосферой. И хотя еще множество трудностей на этом пути – в одном сомневаться нельзя. Победа рано или поздно будет одержана…
…И, быть может, недалек этот день. Настанет утро, обычное утро обычного нашего дня. Проснется город.
На одном из пригородных аэродромов на рельсах, убегающих вдаль, установят удивительную машину.
Ее длинное заостренное тело напоминает снаряд дальнобойного орудия, а тонкие крылья делают похожей на самолет. Прошло время, когда рекордные дальние самолеты имели рекордно длинные крылья. Самолету, который стоит на аэродроме, не нужны длинные крылья.
Словно снаряд, пронесется он на огромной высоте. Только при посадке машина, как птица, расправит крылья, выдвинет их, замедляя свой стремительный полет.
Немало нового дали советские инженеры этой прекрасной машине. Они построили новые ракетные двигатели, которые помчат ее с невиданной скоростью, ракетную стартовую тележку, которая разгонит самолет и поможет ему взлететь в воздух.
Они подарили машине радиолокатор, чудесные глаза, видящие сквозь облака и туманы на много километров.
Они защитили пассажиров от врагов, поджидающих на больших высотах, – разреженного воздуха, космических снарядов-метеоров и ультрафиолетовых солнечных лучей.
Самолет не вспыхнет, как метеор, накалившись от трения о воздух. Его обшивка не боится жары.
Вот каков будет самолет, который поднимется, чтобы полететь с такой скоростью, с какой еще никто никогда не летал.
Реактивный самолет будущего на аэродроме.
…Закончены последние приготовления. Командный пункт дал разрешение на старт. Взлетает сигнальная ракета.
Все быстрее и быстрее несется по рельсам тележка с самолетом. Вот он уже в воздухе, и лишь долетевший секундой позднее гул напоминает о нем. Похоже, что молния сверкнула в небе, громовой раскат доносится вслед за ней.
Машина набирает высоту, увеличивает скорость.
Но вот выключен двигатель. Теперь машина, постепенно снижаясь, чудовищным прыжком покрывает огромное пространство.
На черном фоне неба – ослепительно белый диск Солнца и яркие звезды на небосводе. А внизу под пеленой облаков – Земля.
Штурман включает локатор. Быстро вращается подвижная антенна под самолетом, и на экране локатора возникают темные и светлые пятна.
Тренированный глаз летчика хорошо разбирается в этой мозаике. Вот светлые пятна с очертаниями городов. Резкие темные пятна – озера, водохранилища-гиганты. Точно вычерченные на карте линии и сетки – каналы.
И вдруг пропадают пятна и линии. Сплошная темнота заполняет экран. Это море! В иллюминаторе штурман видит в просвете между облаками его темно-синий щит.
А внизу, на земле, операторы радиолокационных станций видят на своих экранах, как извивается змейка, указывая на пролетающий самолет.
И миллионы людей следят за полетом смелых сталинских соколов.
* * *
Самолеты больших скоростей – достояние авиации уже сегодня. Полет быстрее звука станет реальностью в ближайшие годы.
Конструкторы и технологи, ученые и инженеры нашей авиации работают сегодня над тем, что мы увидим в небе завтра.
Новейшие достижения радиотехники и приборостроения, автоматики и телемеханики нужны авиации сегодняшнего и завтрашнего дня не меньше, чем аэродинамика больших скоростей или реактивные двигатели.
Со сложным самолетным хозяйством не управишься без помощи автоматов. На крупном самолете триста с лишним электромоторов разных типов. Без автоматов становится трудно управлять и самим самолетом, большой машиной. А между «трудно» и «невозможно» придется поставить знак равенства, когда еще больше вырастут скорости, когда полеты быстрее звука будут привычными для авиации.
Самолет – быстроходная машина, и мы, говоря об автоматике, смело можем поставить его рядом с другими машинами, где автоматы привычны и незаменимы.
Так же, как оператор блюминга не может работать без автоматики – ему нужно, управляя своим гигантом, за сто секунд сделать сто разных дел, так и летчик сверхскоростной машины не обойдется без автоматов.
Автоматические линии станков, заводы-автоматы – к этому идет машиностроительная техника. К автоматическому полету, к автоматическому движению идет транспортная техника.
«Недалеко то время, когда мы сможем автоматизировать полеты аэропланов, движение поездов, – говорил академик В. Н. Образцов. – Все это стоит перед нами в ближайшей перспективе».
Это потребует решения совершенно новых задач. Чем быстрее полет, тем быстрее нужно замечать все изменения обстановки, условий полета, тем быстрее нужно отвечать на них, управляя машиной. Дороже становится каждая секунда – да что там! – каждая доля секунды.
На реактивном самолете нужно думать быстрее, говорят летчики. Они правы: на большой скорости и малое время, которое незаметно, неощутимо было раньше, «вырастает», требует вместить в себя много дел. Но не растянешь же время, как резину! Нужно, быстрее летая, быстрее управлять.
Скорость – расстояние, пройденное в единицу времени. Растет скорость. Не сто или двести метров в секунду, а гораздо больше пролетит скоростной самолет. И взлет, посадка, все эволюции в воздухе потребуют от летчика гораздо большей быстроты, точности движений.
Автоматика сейчас – незаменимый друг летчика. В будущем же ее роль еще возрастет. Будут созданы автоматические механизмы, которые смогут действовать так быстро и точно, как этого требуют сверхвысокие скорости полета. Телемеханика – управление на расстоянии – войдет в практику авиации.
Радиолокационная техника – неотъемлемая часть оборудования самолета. Ее роль, как и автоматики, неизмеримо вырастет в новой, предсказанной Циолковским, «эре аэропланов реактивных». Безопасность воздушных сообщений обеспечат радиолокаторы – «глаза» скоростной машины.
К быстрому, удобному, безопасному полету, к скоростной и сверхскоростной воздушной связи – пассажирской, почтовой, грузовой – стремится авиационная техника нашей страны. Родине, с ее огромными просторами, нужны машины больших скоростей. Люди советской авиации неустанно работают над тем, чтобы создавать скоростные машины, чтобы сделать скоростной воздушный транспорт таким же привычным, массовым, доступным, как и любой другой, которым мы пользуемся.
И наша новая скоростная авиация будет служить миру. Она сделает советского человека хозяином неба над родной землей, еще более властным повелителем воздушных просторов.
С развитием скоростной авиации мы связываем и освоение самых высоких слоев воздушного океана, а в будущем – и полеты за атмосферу, в межпланетное пространство, сулящие новые грандиозные перспективы для нашей науки.
