Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович. Страница 36
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.