Страница 64 из 95
Межпланетный корабль при взлете проходит через ряд режимов полета, начиная с самых малых скоростей и высот и кончая полетом на огромных высотах, в весьма разреженной атмосфере и с колоссальной, космической скоростью — в десятки тысяч километров в час.
Точные законы сопротивления при полете в таких условиях науке пока неизвестны, хотя эти вопросы подвергаются в настоящее время тщательному теоретическому и экспериментальному исследованию. Ясно, во всяком случае, что сопротивление при таком полете по своей физической сути связано с иными явлениями, чем хорошо изученное обтекание в полете с околозвуковыми скоростями в плотном воздухе. Главное здесь заключается в том, что при полете в плотном воздухе его можно рассматривать как непрерывную, сплошную жидкую среду — так велико число столкновений молекул воздуха с поверхностью летящего тела каждое мгновение. Совсем иначе обстоит дело на огромных высотах, где воздух очень разрежен. В этих условиях летящее тело не обтекается потоком сплошной «жидкости», а бомбардируется дождем изолированных, свободных молекул. Сопротивление при таком свободно-молекулярном обтекании подчиняется совсем иным законам. Кроме того, между этими двумя крайними режимами существуют различные переходные. Наибольшая величина лобового сопротивления будет, как показывает приближенный расчет, соответствовать полету корабля на высоте около 10 километров.
Все это позволяет в настоящее время оценить потерю скорости межпланетным кораблем при взлете, связанную с воздушным сопротивлением, только приближенно. Конечно, эта потеря будет зависеть от формы и размеров корабля. Очевидно, корабль должен будет иметь, по крайней мере при взлете, форму большой крылатой ракеты. Крылья, весьма полезные при взлете в качестве стабилизатора, а также отчасти и в связи с развиваемой ими подъемной силой, оказываются необходимыми при посадке. Вероятно, они будут сделаны стреловидными и, может быть, выдвижными, как на некоторых экспериментальных самолетах. Это позволит изменять площадь поверхности и стреловидность крыльев в зависимости от скорости полета корабля — по мере разгона крылья будут убираться, а их стреловидность увеличиваться.
Различные сферические и другие плохо обтекаемые формы кораблей, которые иной раз предлагаются в связи с отсутствием воздушного сопротивления в мировом пространстве, приведут к недопустимой потере скорости при взлете и потому вряд ли найдут применение.[116]
Чем больше по размерам корабль, тем меньшую относительную потерю скорости при взлете вызовет воздушное сопротивление.
Расчет, произведенный для стратосферной ракеты весом 50 тонн, показал, что скорость ракеты к концу активного участка траектории, то есть к моменту конца разгона ракеты двигателем, уменьшается за счет воздушного сопротивления примерно на 5 процентов. Поэтому можно думать, что для тяжелых межпланетных кораблей, основная часть траектории полета которых пролегает в верхних, самых разреженных слоях атмосферы, потеря будет не больше этой, а даже меньше. Вряд ли мы сильно ошибемся, если предположим, что потеря скорости межпланетного корабля при взлете из-за сопротивления атмосферы не превысит 3 процентов, то есть составит примерно 300 метров в секунду.[117]
Общая потеря скорости межпланетного корабля при взлете с Земли будет равна сумме обеих потерь, вызываемых действием земного тяготения и воздушным сопротивлением. Величина этой потери зависит от весьма многих факторов, но она, вероятно, будет близкой к 1000–1500 метрам в секунду. Эта скорость должна быть прибавлена к необходимой конечной скорости корабля в конце активного участка траектории, чтобы получить величину идеальной скорости, по которой должен быть подсчитан запас топлива на корабле. Следовательно, в наилучшем случае, когда должна быть получена только скорость отрыва, которую, как мы видели выше, можно принять равной 10,5 километра в секунду, идеальная скорость равна 11,5 — 12 километрам в секунду.
Для посадки межпланетного корабля на Луну или другое небесное тело, не обладающее атмосферой, но имеющее собственное поле тяготения, нужно погасить скорость корабля относительно этого тела торможением с помощью двигателя.
На строго определенном, заранее рассчитанном расстоянии от поверхности небесного тела нужно включить двигатель корабля, для того чтобы сила реакции струи вытекающих из него газов постепенно снизила скорость корабля до нуля. Если торможение начнется слишком рано, на большом расстоянии от посадочной площадки, то это приведет к значительному перерасходу топлива. Теоретически было бы выгодно погасить всю скорость корабля сразу, чтобы корабль внезапно остановился у самой поверхности планеты, но это, конечно, невозможно, и поэтому при торможении также должны быть использованы максимально допустимые инерционные перегрузки.
Если планета обладает атмосферой, хотя бы даже разреженной, то значительная часть общего торможения корабля при посадке может быть осуществлена путем использования сопротивления, которое оказывает эта атмосфера летящему кораблю. Разреженность атмосферы не служит большим препятствием, ибо торможение происходит на значительных высотах, где давление все равно невелико. Так, например, атмосфера Марса намного разреженней земной, и давление у поверхности Марса соответствует земному давлению на высоте 15–16 километров. Но уже на высоте примерно 28–30 километров давления в марсианской и земной атмосферах одинаковы, а на еще больших высотах давление в атмосфере Марса становится даже больше земного. Поэтому торможение в атмосфере при посадке на Марс вполне возможно. Таким образом может быть сэкономлено значительное количество топлива, но…
Но такая посадка — это в буквальном смысле слова игра с огнем, ибо незначительная ошибка в расчете, ошибка пилота — и корабль может вспыхнуть ярким факелом, так что в лучшем случае поверхности планеты достигнут обугленные и оплавленные остатки того, что было кораблем Вселенной. Судьба метеоров, как говорят, «сгорающих» в атмосфере, то есть разрушающихся в ней под ударами молекул воздуха, встанет грозным призраком перед командиром межпланетного корабля, осмелившимся на риск подобной посадки.[118] И все же возможность такой посадки нельзя не использовать. Точные знания науки в сочетании с безошибочным автоматическим управлением должны сделать эту посадку абсолютно безопасной.
С явлением нагрева в полете приходится считаться уже сейчас в скоростной авиации. Этот нагрев происходит в результате того, что мчащийся с большой скоростью самолет набегает на неподвижный воздух и сжимает его. Эффект получается такой же, как если бы поток воздуха с большой скоростью набегал на неподвижную поверхность и внезапно останавливался, тормозился этой поверхностью. Кинетическая энергия воздушного потока при таком торможении переходит в тепло, которое подводится к поверхности самолета, увеличивая ее температуру. При малых скоростях полета нагрев практически отсутствует — как известно, кабины самолетов приходится даже искусственно обогревать, потому что на больших высотах царит сильный мороз. По мере роста скорости аэродинамический нагрев самолета становится все бóльшим[119] наконец он не только устраняет необходимость в отоплении кабины, но становится столь значительным, что приходится скорее думать о ее охлаждении.
Уже сейчас в кабинах скоростных реактивных самолетов в некоторых случаях температура поднимается до 100° и более.
Тут, очевидно, уже никакой тренировкой делу не поможешь. Проблема охлаждения кабины летчика становится очень грозной.
Нагрев самолета при полете в воздухе заставляет подумать не только о летчике, но и о самом самолете. Как известно, самолеты строятся из легких и прочных сплавов алюминия и магния. Но прочность таких сплавов очень быстро уменьшается с ростом их температуры. Применять нагруженные детали из этих сплавов можно только до сравнительно невысоких температур, не превышающих примерно 200°. Поэтому дальнейшее увеличение скорости полета с соответствующим увеличением нагрева самолета может заставить отказаться от применяющихся теперь в самолетостроении легких сплавов и перейти на другие, более жаропрочные, но, увы, и более тяжелые материалы.
116
Наблюдение за одним из метеоров, произведенное в Москве, показало, что его скорость за секунду полета на высоте 40 километров уменьшилась с 56 до 14 километров в секунду. Вот как велико аэродинамическое торможение даже при полете в очень разреженной атмосфере. Иногда оно достигает 100 километров в секунду за секунду.
117
Называются даже и меньшие цифры, до 1 про цента, которые кажутся, однако, все же слишком оптимистическими. При экспериментальных запусках наиболее высотных ракет эта потеря достигала 7 процентов.
118
Надо, конечно, иметь в виду, что скорость корабля, приближающегося к Земле, будет примерно в 5 раз меньше скорости испаряющихся метеоров и, следовательно, его воздушное сопротивление, даже при одинаковой форме, в 25 раз меньше. Кроме того, лобовое сопротивление метеоров, имеющих неправильную форму, конечно, и по этой причине во много раз больше.
119
Так как кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости движения, то аэродинамический нагрев также увеличивается с ростом скорости полета пропорционально ее квадрату.