Циолковский

Старый ученый одновременно осторожен, но тверд. «Взятая мною на себя задача,– сообщает он читателям, – имеет много применений – между прочим, к определению сжатого воздуха в переднем отверстии летающего самолета или другого снаряда. Дело в том, что этим сжатием в разреженных слоях воздуха можно усилить работу моторов».

Слов нет, решение задачи сверхзвукового полета действительно сулило многое, но в этом многообразии Циолковский сразу же обратил внимание на главное: явления, «происходящие при изменении объема газа». Принцип несжимаемости воздуха – один из основных принципов аэродинамики дозвуковых скоростей – отброшен. Отсюда совершенно правильный вывод о «воздушной стене», возникающей на пути сверхзвукового самолета.

Да, такая «стена» существует. И это понятно. Любой самолет (даже летящий гораздо медленнее звука) баламутит воздух, возмущает его. Возмущения убегают от машины со звуковой скоростью. Они как бы разносят сигнал: расступись! Повинуясь этой команде, встречный воздух обтекает машину плавными струями.

Все выглядит иначе при полете быстрее звука. Обогнав порожденные им возмущения, самолет врезается в воздух, уплотняет его. Тонкий слой сжатого воздуха движется вместе с машиной. Давление в этом слое возросло резко, скачкообразно. Отсюда и его название – скачок уплотнения. Как гигантская гребенка, прочесывает скачок встречный воздух. Частицы воздуха с огромным трудом протискиваются «между зубьями гребенки». За счет трения уплотнившийся в скачке воздух нагревается. Вот и выходит, что большая часть мощности двигателей машины растрачивается понапрасну. Она уходит на бессмысленный и никому не нужный нагрев атмосферы.

Теперь всем все ясно, а тогда сверхзвуковой полет являл собой сплошную загадку. Вот почему оттиск работы Циолковского попал в Геттинген, к самому профессору Прандтлю, построившему для своих экспериментов сверхзвуковую аэродинамическую трубу.

Установка геттингенского профессора (один из немецких корреспондентов Циолковского прислал в Калугу ее описание) представляла собой два стальных резервуара объемом по 10 кубометров, соединенных трубой диаметром 0, 3 метра. Для проведения опыта Прандтль помещал модель внутри трубы, подле глухой перегородки. Затем давление в одном резервуаре поднималось до 10 атмосфер, а в другом – снижалось до минус одной атмосферы. Раздавался сильный взрыв. Разность давления сметала перегородку. Какое-то мгновение модель обтекалась с гигантской скоростью, а процесс обтекания фиксировался на пленку.

Способ рационален и остроумен (не зря он дожил и до наших дней). Циолковский жалел лишь об одном: такой эксперимент в домашней лаборатории не поставишь!

И, лишенный возможности экспериментировать, Константин Эдуардович иллюстрирует свою мысль опытом, поставленным самой природой. Как известно, пролетая сквозь атмосферу, метеориты накаляются и светятся. Циолковский подсчитал: при скорости 5 километров в секунду воздух уплотняется в 400 раз, а температура его доходит до 65 000°С. Космические гости мчатся еще быстрее – 50 километров в секунду, 180 тысяч километров в час – такова скорость метеорита, оставляющего горячий яркий след в ночной атмосфере.

Три десятилетия прошло с тех пор, как Циолковский заинтересовался аэродинамическим нагревом. Вокруг нашей планеты закрутились орбитальные космические корабли. Огненным вихрем встречала их на спуске воздушная рубашка планеты. И вот как выглядит эта встреча в протокольно точной записи Героя Советского Союза, летчика-космонавта Германа Титова:

«...„Восток-2“ вошел в плотные слои атмосферы. Его теплозащитная оболочка быстро накалялась, вызывая яркое свечение воздуха, обтекающего корабль. Я не стал закрывать шторки иллюминаторов – хотелось подробнее проследить за тем, что делается снаружи.

Нежно-розовый цвет, окружающий корабль, все больше сгущался, стал алым, пурпурным и, наконец, превратился в багровый. Невольно взглянул на градусник.– температура в кабине была нормальной: 22 градуса по Цельсию. Гляжу прищуренными глазами на кипящий вокруг огонь самых ярчайших расцветок. Красиво и жутковато. А тут еще жаропрочные стекла иллюминаторов постепенно желтеют. Но знаю, ничего опасного не произойдет: тепловая защита корабля надежна и многократно проверена в полетах».

Много событий отделяют догадки Циолковского от полетов советских космонавтов. Сначала возник звуковой барьер. Гибли летчики, рассыпались в воздухе самолеты. И лишь союз ученых с летчиками-испытателями позволил преодолеть этот воистину кровавый барьер и вторгнуться в царство высоких температур.

Высокая температура принесла авиационным конструкторам множество острых проблем, без разрешения которых главная цель жизни Циолковского – овладение космосом – так и осталась бы красивой, но, увы, бесплодной мечтой.

На самолетах появились холодильные установки (о необходимости охлаждать летательные аппараты предупреждал своих читателей Циолковский). Аэродинамики и гидродинамики углубились в анализ явлений, протекающих в пограничном слое. И как не вспомнить письмо из Берлина с оценкой аэродинамических размышлений Циолковского: «Эти исследования здесь еще малоизвестны, особенно трение воздуха как функции пограничного слоя...»

О борьбе с аэродинамическим нагревом можно было бы рассказать бездну интересного, поражающего воображение. Летательные аппараты защищает многослойная керамическая облицовка – броня, которая сгорает, не пропуская внутрь грозное тепло. Или потеющая обшивка – пористый материал, через который выдавливается легко испаряющаяся жидкость. За счет ее испарения тепло рассеивается. Увы, многого не расскажешь – слишком далеко пришлось бы уйти от основной темы. Однако есть проблемы, не упомянуть о которых просто невозможно. Среди них диссоциация и ионизация воздуха.

Явления, сопутствующие гиперзвуковым скоростям, как принято называть скорости, в 5-6 раз превышающие звуковые, заставляют вторгнуться в дебри физики и химии. Чтобы не заблудиться в этих дебрях, поверим специалистам, которые предлагают представить атомы молекул газов, составляющих воздух, как бы связанными между собой пружинами. Чем больше скорость, тем чаще соударяются друг с другом молекулы, и ,наконец, межатомная «пружина» не выдерживает; она рвется. Разрушение молекул, неизбежно сопутствующее большим скоростям полета, называют диссоциацией. Разрыв молекул потребляет огромное количество энергии, и рост температур замедляется.