"Техника-молодежи" №3-1937
| Инж. С. ПЕТРОВ |  |
Высота атмосферного слоя над земной поверхностью может быть подсчитана весьма теоретически. Очевидно она доходит до 800 км. Выше этого молекулы воздуха уже не притягиваются землей и уносятся в мировое пространство.
Нижние слои воздуха, прилегающие к земной коре, называются тропосферой и являются зоной, в которой происходят все атмосферные явления. Здесь образуются облака, происходят дожди, грозы. Чем выше от земли, тем больше понижается температура воздуха. Через каждые 1 000 м температура понижается, примерно, на 6°. Атмосфера, лежащая выше тропосферы, называется стратосферой, Свойства стратосферы резко отличаются от ниже лежащих зон. Температура там более или менее постоянная и на высоте 40 — 45 км колеблется в пределах — 50-60°.
На основании многих наблюдений в настоящее время считается вероятным следующее: на высоте 45-50 км температура делает скачок и повышается до — 27°. На этой высоте находится слой озона, поглощающий значительную часть ультрафиолетовых лучей, посылаемых солнцем, и благодаря этому обладающей более высокой температурой. Выше 50 км температура, очевидно, начинает опять понижаться, доходя на высоте 90- 100 км до -230°.
На — высоте 80-100 км находится так называемый слой Хивисайда, отличающийся чрезвычайно большой электропроводностью и заставляющий отклоняться обратно к земле волны наших радиостанций.
Верхние слои стратосферы совершенно не изучены, и мы о них имеем самые смутные представления.
В стратосфере почти полностью отсутствует влага, и поэтому там нет облаков дождей и гроз. Ветры в стратосфере дуют с одинаковой силой и в одном направлении; они не порывисты, хотя и сильнее, чем в тропосфере.
Исследование высоких слоев земной атмосферы началось с 90-х годов прошлого столетия, когда учеными Гермитом и Безансом был пущен первый шар-зонд с самопишущим прибором. С тех пор шаром-зондом пользуются для исследования слоев атмосферы, примерно, до 35 км.
В 1931 году бельгийским профессором Пиккаром был впервые совершен подъем в стратосферу. Этот ученый поднялся на стратостате на высоту 15 871 м. Удачный опыт Пиккара послужил толчком к постройке многих стратостатов в нескольких странах.
В 1933, 1934, 1935 годах советские стратостаты поднимались на высоту 19, 22 и 16 км, в течение этих же лет американцы поднимались на высоту 18,7, 18,2 и 22,612 км.
Полеты на стратостатах дают возможность изучить стратосферу и условия полета в ней. Если мы сумеем подняться на стратостате выше слоя атмосферного озона (40-45 км), который поглощает и не пропускает на землю активные ультрафиолетовые лучи солнца, то это даст нам возможность изучить различные, атмосферные явления, вызываемые солнечным светом.
Испытание скафандра. Шлем надевают на голову пилота. |
Наблюдения, проведенные на этой высоте, позволят понять природу космических лучей, которые идут к нам из мирового пространства и главная часть которых не доходит до земли, теряясь в стратосфере.
Кроме того, чтобы понять, насколько велико значение изучения стратосферы, следует помнить, что наиболее актуальной проблемой современной военной и гражданской авиации является увеличение скорости и высотности полета. Но увеличение скорости в тропосфере приближается к своему пределу. Современная авиационная техника позволила довести почти до совершенства аэродинамические формы самолета и увеличить, насколько возможно, мощность мотора. Исследовательская мысль работает и дальше в этой области, работает непрерывно и не без успехов. Но все же резкого увеличения скорости можно добиться путем резкого уменьшения сопротивления воздуха движущемуся, самолету, а это мыслимо только в стратосфере. Почему?
Столб воздуха давит на 1 кв. м земли с силой в 10 т. Поэтому нижние слои воздуха, спрессованные верхними, обладают большой плотностью и сопротивляемостью. Но чем ближе к стратосфере, тем больше падает плотность воздуха. На высоте 5000 м мы уже оставляем под собой примерно половину веса всего атмосферного столба, на высоте 10 км уже ¾ этого веса, а на высоте 40-45 км находится только 0,999 всей величины воздуха. Легко себе представить, насколько разрежен воздух в верхних слоях стратосферы, если вспомнить, что он простирается до 800 км. Следовательно, поднявшийся на большие высоты самолет уже не испытывает большого сопротивления воздуха и поэтому резко увеличивает скорость полета.
800 км в час — вот идеальная скорость самолета у земли. Такая скорость еще практически не достигнута, но испытания, проведенные в аэродинамической трубе в Америке, показали, что теоретически эта цифра не фантастична. Для того чтобы эта теория стала практикой, нужно резко поднять мощность мотора, а это влечет за собой необходимость разрешения целого ряда технических проблем. Теперь допустим, что скорость в 800 км стала явью. А как дальше? Ведь нормальное обтекание крыла происходит только до 750-800 км.
 После высотного полета летчик Свейн выходит из стратосферного самолета. |
При большей скорости полета встречный поток воздуха уже не успевает обтекать кромки крыла, он как бы деформируется, что сопровождается значительным ростом лобового сопротивления. Следовательно, опять нужно повышать мощность мотора?
Но, чтобы убедиться, как далеко выходит за рамки даже самых смелых теоретических расчетов необходимая мощность мотора, заметим, что лобовое сопротивление воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости, а мощность мотора, потребная для преодоления этого сопротивления, — кубу скорости.
Однако, этот закон верен, примерно, до скорости 750-800 км/час. При полете же на больших скоростях появляется такое сопротивление, что возрастание мощности будет чудовищно велико. Но мы уже указывали, что с высотою плотность воздуха становится меньшей, а следовательно, уменьшается и лобовое сопротивление. Отсюда понятно устремление человека в стратосферу, ибо только там мыслимы сверхвысокие скорости.
Итак, мы установили, что высота разрешает проблему скорости. Но этим не исчерпываются ее весьма выгодные свойства. Так, например, высота таит в себе серьезные военные качества. Современная среднекалиберная артиллерия не дает хороших результатов, когда стрельба происходит по самолетам, летящим выше 7 000 м. Следовательно, полеты на больших высотах исключают авиацию из сферы действия зенитной артиллерии. Самолет, который летит выше 8000 м, неслышим и невидим с земли, а также с трудом обнаруживается в воздухе. Кроме того, на больших высотах авиация перестает быть зависимой от состояния погоды, так как осадки, воздушные вихри, облака образуются только в слоях тропосферы.
Высотные полеты имеют большое значение и для гражданской авиации. Транспортный самолет, который летит на высоте 10000-11000 м, может легко развить скорость в 700-800 км/час. Это имеет большое значение для нашего Союза, обладающим огромными пространствами.
Задача освоения стратосферы не так проста, как это может казаться на первый взгляд. До сих пор нет ни одной страны в мире, где высота хотя бы в 12-13 км была уже освоенной для длительных полетов, продолжительностью в несколько часов.
В чем же основные трудности полетов на больших высотах?
Как известно, для старания бензина в цилиндрах авиационного мотopa необходим кислород, но с поднятием на высоту плотность воздуха и количество содержащегося в нем кислорода уменьшаются. Этим и объясняется уменьшение мощности мотора. Так, например, мотор, развивающий у земли 1 000 л. с., на высоте 2 000 м дает 750 л. с., на высоте 10 000 м — 220 л. с. Уже на высоте 14 000 м этот мотор может дать 65 л. с., то есть мощность, недостаточную даже для полета одноместного боевого самолета.
 Подъем американского стратостата (снимок сделан ночью). |
Таким образом, основной проблемой высотной авиации является создание такого мотора, который был бы способен сохранять свою мощность и на больших высотах. Какими путями идет разрешение этой проблемы? Чем выше поднимается самолет, тем труднее «дышит» мотор. Ему нехватает воздуха, он «задыхается». Возить с собой достаточно большой запас кислорода невозможно, поэтому путь один — получать кислород из атмосферного воздуха, иными словами, нагнетать кислород в мотор. Для этого к мотору присоединяют центробежные нагнетатели, или турбонагнетатели. Первые вращаются через шестеренчатую передачу от коленчатого вала мотора, вторые работают от энергии выхлопных газов. Сейчас в авиации наиболее распространен приводный центробежный нагнетатель. Этот механизм представляет собой диск, сделанный из высококачественной стали. Он заключен в закрытый кожух. Во время быстрого вращения диска (20 000-30 000 об/мин.) происходит подача атмосферного воздуха в цилиндры мотора.
Нагнетатели бывают одноступенчатые, двухступенчатые и даже трехступенчатые, причем все ступени работают последовательно. Таким образом, воздух сперва подается в первую ступень, затем во вторую и, наконец, в третью. На вращение нагнетателя мотор затрачивает некоторую мощность. При этом, чем выше забирается самолет, тем больше требуется этой мощности. На больших высотах, с уменьшением плотности окружающей среды, нагнетателю приходится работать с интенсивностью, которая растет соответственно забираемой высоте. И естественно, что увеличивающаяся интенсивность нагнетателя требует соответственно большей мощности мотора.
Схема обтекания крыла. Наверху — нормальное обтекание, происходящее при полетах до 700 — 800 км в час. Нижний рисунок показывает, что встречный поток не обтекает крыла, а деформируется им. Это происходит при скорости свыше 800 км в час. |
Теперь читателю должна быть понятна причина того, что вышеприведенный мотор для приведения в действие нагнетателя затратит на высоте в 1000 м 30 л. с., на 10 000 м — 300 л. с, на 14 000 м — 470 л. с и на 20000 м — 810. л. с. Отсюда вывод: на определенной высоте мощность, воспринимаемая нагнетателем, сведет на-нет мощность, поглощаемую винтом. Практически это недопустимо, и понятно, что центробежные нагнетатели разрешают проблему высотных полетов только в известной степени, то есть до определенной высоты. Другие типы нагнетателей, как, например, турбонагнетатели, работающие энергией выхлопных газов, пока не могут найти широкого применения. Их конструкция еще далека от совершенства.
Итак, нагнетатели не решают полностью проблемы высотного мотора. Где же выход? Работники авиации уже примирились с той мыслью, что невозможно преодолеть «упорство» мотора; мощность его на больших высотах неизбежно падает. Не полностью помогает и «искусственное дыхание», так как нагнетатели поглощают часть его мощности. Поэтому авиационная мысль, работая над усовершенствованием авиационного мотора, обратилась к другим двигателям, на работе которых не отражалось бы пониженное содержание кислорода в высоких слоях атмосферы. К этим двигателем прежде всего следует отнести паровую турбину и реактивный двигатель.
 Рассматривая эту схему, читатель увидит, какие высоты достигнуты человеком. Здесь же изображены проекты высотных летательных аппаратов |
Долгое время применение парового двигателя в авиации задерживалось из-за отсутствия высококачественного металла, допускающего сверхвысокие давления и перегрев. Сейчас эти трудности разрешены, и работы над паровыми двигателями ведутся в США, Германии, Англии и других странах. Первый полет самолета с паровым двигателем мощностью 150 л. с. состоялся в США в 1933 году. Полет прошел весьма удачно и доказал возможность использования пара в качестве двигательной силы на самолете.
Теоретические подсчеты показывают, что установка парового двигателя для стратосферного полета даст возможность увеличить высоту подъема по сравнению с двигателем внутреннего сгорания на 3-5 км.
Чтобы закончить о проблеме сохранения мощности двигателя на больших высотах, заметим, что усилия конструкторов направлены на создание такого самолетного винта, который при своем максимальном коэфициенте полезного действия потреблял бы минимум мощности мотора, Короче, для экономичного полета самолета нужно возможно больше мощности снять с винта. Лучшие современные винты конструируются с таким расчетом, что позволяют довести до известного минимума потери мощности мотора. Так, например, если мотор развивает 1 000 л. с., а винт работает с коэфициентом полезного действия 0,8, то мощность, снимаемая с винта, составит 800 л. с, и 200 л. с. составляют потери, вызванные винтом.
Авиационный винт рассчитывается на определенный режим полета, при котором он обладает максимальным коэфициентом полезного действия, причем конструкция высотного винта своеобразна и отличается от винта, применяющегося на обычном самолете. Если предположить, что самолет оборудован только высотным винтом, то его взлет будет весьма затруднен. Больше того, такой самолет при полной нагрузке может вовсе не оторваться от земли. Высотный винт (расчитанный для работы в разреженной атмосфере) характерен большим диаметром и углом установки лопастей.
Для взлета и полетов на небольшой высоте применяются винты с меньшим шагом или углом установки лопастей. Следовательно, высотный самолет должен быть снабжен таким комбинированным винтом, у которого шаг может меняться в полете по желании летчика. Сейчас винты с переменным шагом сконструированы и установлены на всех высотных самолетах. Изменение шага винта происходит автоматически, путем перевода специального указателя на приборной доске пилота.
Итак, в работе за освоение стратосферы, где возможны сверхвысокие скорости, авиационная мысль не может удовлетвориться двигателям внутреннего сгорания и даже паровыми турбинами. Правда, первый тип двигателя резко поднял потолок современного самолета и уже обеспечил человечеству полеты на значительных высотах. Очевидно, паровая турбина поможет самолету взять еще больший потолок. Но все же и двигатель с нагнетателем и паровая турбина не смогут перейти границы известных слоев стратосферы.
А как быть дальше?
Уже сейчас изобретательская мысль обращается к реактивному двигателю, который мог бы сообщить аппарату как можно большую скорость движения, независимо от изменения плотности окружающей среды.
Несомненно, что реактивный двигатель позволит осуществить передвижение в безвоздушном пространстве и будет единственно подходящим средством для межпланетных путешествий. В качестве топлива для реактивных двигателей могут применяться различные виды пороха с уменьшенной скоростью сгорания и жидкое топливо — нефть, бензин, алкаголь и проч.
Разрез пилотской кабины Свейна. |
Впервые реактивный двигатель был установлен 12 апреля 1928 года в Германии, на автомобиле фирмы Оппель. Сам Оппель оказался первым водителем этой машины. На первых испытаниях ракета-автомобиль развил скорость в 100 км/час. В дальнейшем эта скорость резко увеличена и достигла 236 км. Результаты поразительные! Они уже тогда предопределили победу реактивного двигателя над всеми своими предшественниками.
17 июня 1928 года Штампер совершает первый полет на планере с пороховыми ракетами.
В 1931 году Каттанео (Италия) построил ракетный самолет, на котором произвел несколько полетов.
Все эти опыты были крайне непродолжительны и измерялись всего лишь минутами. Уже тогда было обнаружено своеобразие ракетного двигателя, которое не позволяло перешагнуть пределы минутных испытаний. Запасы топлива хотя и достигали громадных величин по весу, но все же оказались недостаточными для длительной работы двигателя, Это объясняется тем, что коэфициент полезного действия реактивного двигателя чрезвычайно небольшой, если полет происходит у земли в плотном воздухе. В этом случае коэфициент полезного действия реактивного двигателя не превышает 3%. Следовательно, использование реактивного двигателя возможно только на больших высотах. Там он позволит развить скорость порядка 2000 км/час.
 Самолет Свейна "Бристоль-138" |
Говорить о практическом применении реактивного двигателя еще преждевременно, но совершенно очевидно, что человек нашел пути для завоевания больших высот, и об этом лучше всего свидетельствует определившаяся линия развития авиационного двигателя: мотор — мотор с нагнетателем — турбина — ракета.
Теперь обратимся к человеку. Как он приспосабливается к большим высотам?
Мы упоминали, что даже мотор по мере набора высоты начинает дышать учащенно, ему нехватает воздуха, он задыхается. Само собой разумеется что все что надо понимать условно, в кавычках. Но человек — это не мотор, и все указанные процессы происходят в его организме буквально, без кавычек. Уже начиная с 5 км, человек дышит более учащенно. Объем вдыхаемого воздуха резко возрастает. Если на земле человек довольствуется 6-7 л воздуха в минуту, то на высоте 8 км ему необходимо 35-40 л. В противном случае наступает так называемое кислородное голодание: человек постепенно синеет и в судорогах гибнет.
Скафандр Свейна состоит из шерстяного комбинезона, газонепроницаемых штанов, куртки и металлического шлема. |
Уже на высоте 5-6 км летчики должны иметь искусственное кислородное питание. Эта высота является так называемой второй зоной высотных полетов. Здесь возможны полеты только с кислородными приборами.
К кислородным приборам предъявляют очень высокие технические и медицинские требования. Они должны быть легки, прочны, не затруднять дыхания и восполнять недостаток кислорода. Кислород содержится в баллонах под большим давлением (120-150 атмосфер) и посредством дозирующего приспособления подается в маску.
Понижение атмосферного давления на высоте 11-14 км достигает такой степени, что даже вдыхание чистого кислорода через маску кислородного прибора становится недостаточным. Кислород, поступающий на этих высотах в маску летчика, приобретает давление окружающего воздуха и настолько разряжен, что летчик начинает испытывать кислородный голод. Эти высоты являются пределом второй зоны высотных полетов.
Полеты во второй зоне требуют значительного напряжения сил и большой тренировки летчика. Во время своего полета на побитие мирового рекорда итальянский летчик Донати приземлил самолет и тут же потерял сознание. Он даже не успел выключить газ, и самолет кружился по аэродрому, пока его не задержали механики.
Тренировка летчиков для полетов на высоте происходит в специальных барокамерах, из которых выкачивают воздух и одновременно снижают температуру. Этим самым в барокамере создаются условия пребывания летчика на любой высоте.
Полеты выше 14-15 км в третьей зоне высотных полетов, могут совершаться только в герметических скафандрах или кабинах. Скафандр представляет собой одежду, в которой комбинезон сочетается с металлическим шлемом и позволяет поддерживать внутри определенное давление и температуру. Сейчас имеется несколько типов скафандров: Розенсьеля, Поста и др.
Комбинезон в скафандре Розенсьеля сшит из одного куска материи с нетеплопроводной прослойкой. Дюралевый шлем крепится болтами к кольцу верхней части комбинезона. В передней части шлема сделаны прорезы с незамерзающими стеклами. Давление внутри скафандра постоянно при полете, на любой высоте (0,8 атмосферы) и поддерживается из баллона со сжатым кислородом или компрессором, подающим воздух из окружающей атмосферы. Выдыхаемая углекислота и влага поглощаются особыми поглотителями, включенными в конструкцию скафандра.
Благодаря разности давления внутри скафандра и окружающего воздуха движения в нем весьма стеснены и требуют затраты значительных усилий. Преодоление этого усилия является основной конструктивной задачей, которая еще не вполне разрешена. По заявлению Розенсьеля, его скафандр обеспечивает подъем до 25 км.
Самолеты с герметическими кабинами — стратопланы — представляют собой машины с высокими аэродинамическими качествами и облегченной конструкции. Пилот находится в гepметически закрываемой кабине, сделанной из стали или дюраля. Необходимый для дыхания кислород посредством соответствующего крана (из баллонов) подается в кабину. Поглощение выдыхаемой углекислоты и паров воды производится регенерационной установкой, которая состоит из особого вентилятора. Вентилятор прогоняет воздух через патроны, которые поглощают углекислоту и влагу. Давление внутри кабины поддерживается небольшим компрессором, работающим от мотора. Подаваемый компрессором воздух подогревается выхлопными газами мотора. Благодаря этому температура в кабине может быть доведена до +25°. Вход в кабину обычно располагается в верхней части и закрывается цилиндрическим колоколом. Сиденье пилота расположено таким образом, что верхняя часть его туловища находится в колоколе. Этим самым обеспечивается обзор во все стороны через смотровое окно, В кабине монтируется приборная доска со всеми необходимыми приборами. Тяги управления выводятся наружу.
Герметическая кабина по сравнению со скафандром имеет целый ряд преимуществ: летный состав чувствует себя в ней свободно, летчик не стеснен в движениях. Все приборы защищены от влияния низкой температуры; кабина предохраняет пилота от пуль и осколков, между тем пробоина в матерчатом скафандре приведет к немедленной потере внутреннего давления, а это грозит тяжелыми последствиями для летчика.
Удачных конструкций стратоплана пока еще нет; только несколько экземпляров было построено и прошло летные испытания. Эти испытания выявили целый ряд конструктивных неполадок, явившихся роковыми для некоторых машин.
Самолет «Юнкерс-И49» был спроектирован и построен в Германии в 1931 году. Летные испытания показали, что самолет может подняться только до 7000 м. В августе 1935 года в германской печати было сообщение о том, что на заводах Юнкерса построен второй экземпляр — «И-49», с дизелем Юнкерса в 650 л. с. Потолок, согласно расчетам, мог быть достигнут в 14-15 км.
В январе 1936 года этот самолет разбился при пробном полете. При катастрофе погиб известный летчик Нейнхофен, установивший в 1929 году мировой рекорд высотного полета.
На самолете «Фарман-1000» была установлена герметическая кабина, и самолет был приспособлен для подъема в стратосферу. Испытания производились до 1933 года. В 1934 году самолет сгорел во время испытаний.
 Лопасти винта самолета автоматически, по желанию летчика, могут устанавливаться на необходимый угол. |
В 1935 году во французской прессе были помещены фотографии нового самолета «Фарман-1001». Этот самолет был построен целиком из дерева, за исключением герметической кабины, которую сконструировали из металла. Самолет поднялся с аэродрома 5 августа 1935 года и быстро набрал высоту в 10 240 м. Полет закончился катастрофой: машина упала и разбилась. Предполагают, что пилот задохнулся из-за отказа регенерационной аппаратуры (поглотители углекислоты и влаги).
Значительных успехов в высотных полетах добился СССР. Об этом свидетельствуют полеты летчика Коккинаки на отечественном самолете на высоту 14 575 м. Большое практическое значение имеют полеты тов. Юмашева на высоту 8 980 м с контрольным грузом в 5000 кг на самолете «АНТ-6» с четырьмя моторами АМ-34 по 800 л. с. Замечательным оказался полет летчика тов. Нюхтикова, поднявшего 10 000 кг на высоту 7 032 м. Тов. Нюхтиков летал на самолете конструкции тов. Болховитинова с четырьмя моторами АМ-34.
Эти достижения свидетельствуют о том, что наша авиация занимает одно из ведущих мест в деле овладения высотными полетами. Создать такие самолеты может только страна, обладающая самой передовой и совершенной техникой. Несомненно, что 1937 год явится годом наших дальнейших успехов в освоении стратосферы.