24 ОГНЕННАЯ ВСТРЕЧА С ЗЕМЛЕЙ |
В первых же строках Шершевский сообщал Константину Эдуардовичу об интересе немецких газет к его работам. Затем, вспомнив мысли о сопротивлении воздуха, высказанные в «Исследовании мировых пространств реактивными приборами» 1926 года, заметил: «Эти исследования здесь еще малоизвестны, особенно трение (подчеркнуто Циолковским. - А.) воздуха как функции пограничного слоя и уменьшении толщины пограничного слоя. Во всяком случае я послал оттиск профессору Л. Прандтлю в Геттинген».
Несколькими строками ниже еще одна интересная деталь: немецких ученых интересует мнение Константина Эдуардовича о сечении и очертании крыльев аппарата, летящего на сверхзвуковых скоростях, а приземляющегося на обычных.
Отвечая на такого рода письма (а их приходило в Калугу немало), Циолковский опубликовал работу «Давление на плоскость при ее нормальном движении в воздухе». Во введении к этой брошюре он писал: «Я даю тут, как мне кажется, новое по сопротивлению воздуха. Но, во-первых, я не считаю это строго научным; во-вторых, не уверен, что кто-нибудь не дал ранее тех же формул». О работе С. А. Чаплыгина по газовой динамике Циолковский, подобно большинству ученых того времени, не знал.
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.
Шутка ли, расколоть за счет скорости полета молекулу на атомы. Однако этим дело не кончается. Вслед за диссоциацией воздуха начинается его ионизация. Летательный аппарат мчится еще быстрее, и процесс заходит еще глубже. При очень больших скоростях полета электроны отрываются от атомов. И атом, потерявший электрон, и атом, подхвативший его, и свободный электрон - все они несут электрические заряды. Их называют ионами. Отсюда и название процесса - ионизация воздуха.
При чрезвычайно больших температурах электроны оторвутся от всех ионов. Ионы превратятся в голые ядра. Незаметно для самих себя мы подошли к важному понятию современной физики - понятию плазмы.
Справедливости ради заметим, что при нынешних скоростях полета до плазмы дело не доходит. Процесс ограничивается лишь возникновением ионизированного воздуха. Однако этот воздух становится проводником электрического тока. А это значит, что на него можно воздействовать электрическими и магнитными полями. Отсюда возникновение новой науки - магнитоаэродинамики. Выросшая на стыке аэродинамики и атомной физики, она сулит подлинные чудеса.
В самом деле, разве не чудо, что ударная волна, десяток лет назад злейший враг летчиков и конструкторов, преодолевших звуковой барьер, может стать его союзником? А ведь человеческая мысль стремится превратить воздух в щит, побеждающий огонь.
Чтобы решить эту задачу, нужно отодвинуть ударную волну от ракетоплана. Легко сказать - отодвинуть! Попробуйте ковать металл без соприкосновения с молотом. Пожалуй, задача, стоящая перед аэродинамиками, ничуть не легче. И все же она разрешима.
Стремясь овладеть термоядерной энергией, физики придумали «магнитные бутылки» - незримые сосуды для хранения плазмы. Сильные магнитные поля способны удержать плазму не хуже, чем стенки стакана воду. А что, если разместить ракетоплан внутри магнитной бутылки? Снабдить машину магнитом, способным отодвинуть ионизированный слой раскаленного воздуха? Кто знает, быть может, именно так, прикрытые щитом, преграждающим дорогу огню, ворвутся через десятки лет земные космические корабли в атмосферу чужих планет...