Михаил Васильев - Путешествия в космос
Первые самолеты летали очень низко над землей — высота их подъема едва достигала нескольких десятков метров. К 1920 году «потолок» самолета поднялся до 4000 метров. Сегодня он превзошел 18 тыс. метров, хотя серийные самолеты, как правило, и не поднимаются на такую высоту.
История авиации — это в значительной степени история борьбы за скорость и высоту полета.
Первые самолеты имели скорость 40–50 километров в час, и это казалось тогда стремительным полетом. Всего 45 лет назад она не превышала 80 километров в час, а сегодня зарегистрированным рекордом скорости самолета является 1215 километров в час! Эта скорость почти равна скорости звука. Нерегистрируемые скорости на пикировании в высотных слоях атмосферы значительно превосходят и эту официальную скорость. Скорости же в 1100, 1200 километров в час стали обычными скоростями серийных скоростных самолетов.
Исследователи истории авиации начертили по годам кривую роста скоростей самолета. И вот оказалось, что получилась не плавная линия, на которой год за годом происходил рост скоростей на определенную величину, а волнистая линия с участками крутого роста, сменяемыми участками почти горизонтальными — роста скорости не происходило.
Ученые сопоставили эти участки крутого подъема с появившимися в те годы конструкциями самолетов, и оказалось, что они совпадали с моментом, когда в конструкцию самолета вводилось какое-либо серьезное техническое новшество.
Так, в 20-х годах быстрый рост скоростей самолетов объясняется переходом от тонкого крыла к толстому, в котором можно было спрятать шасси с колесами, что в значительной степени уменьшало сопротивление самолету потока воздуха. Следующий скачкообразный рост скоростей в первой половине 30-х годов совпадает с введением наддува в цилиндры двигателя. До этого двигатель вынужден был «дышать» забортным воздухом, который чем выше, тем становился разреженнее. Двигатель «задыхался» в этом разреженном воздухе, терял мощность. И самолет не мог использовать из-за этого преимуществ, даваемых уменьшившимся сопротивлением воздуха.
Боевые пороховые ракеты — близкие родственники осветительных ракет — были могучим оружием советских летчиков в борьбе против фашистских оккупантов.
Введение наддува обеспечило двигателю самолета возможность и в разреженных слоях атмосферы «дышать» уплотненным воздухом. И скорость самолета повысилась на добрых 150–200 километров в час.
Но самый большой и резкий скачок кривой роста скоростей самолетов произошел где-то около 1945 года. Это в авиацию пришел реактивный двигатель. Скорость самолета поднялась на 250–300 километров в час. Замена поршневого двигателя на самолете реактивным двигателем была подлинной технической революцией. Вместе с тем это момент, когда линии развития авиации и астронавтики сблизились и пересеклись, взаимно обогащая друг друга.
Первое и основное преимущество реактивного двигателя перед поршневым состояло в чрезвычайно высокой мощности при небольшом весе. Борьба за снижение «удельного веса» авиационного двигателя — снижение веса двигателя на единицу развиваемой мощности — велась очень давно. Если в 1910 году «вес 1 лошадиной силы» составлял свыше 2,5 килограмма, то к 1950 году — за 40 лет — он упал до 0,4 килограмма.
Мощность реактивного двигателя имеет несколько иное выражение, чем у поршневых двигателей, поэтому сравнение «удельных весов» поршневых и реактивных двигателей несколько затруднительно. Однако все же некоторое сравнение возможно. Так, если взять обычный авиационный жидкостный реактивный двигатель весом в 150 килограммов, развивающий силу тяги до 3000 килограммов, то при скорости полета в 2000 километров в час полезную тяговую мощность такого двигателя следует считать равной примерно 22 тыс. лошадиных сил. Значит, каждая лошадиная сила этого двигателя «весит» всего 6 граммов — в несколько десятков раз меньше, чем у лучших поршневых двигателей.
О возможностях, которые открыл реактивный двигатель авиации, говорит такой факт. В настоящее время в авиации не редки реактивные скоростные самолеты с тяговым усилием двигателей в 4300 килограммов. Пересчет показывает, что при обычной для таких самолетов скорости в 1100 километров в час это тяговое усилие эквивалентно мощности поршневого двигателя в 35 тыс. лошадиных сил. Даже самые лучшие поршневые двигатели с «удельным весом» всего в 400 граммов на лошадиную силу, развивающие такую мощность, должны весить около 14 тонн. Между тем общий взлетный вес скоростного реактивного самолета с рассматриваемыми характеристиками может быть меньше 14 тонн, а вес самих реактивных двигателей едва ли превосходит 3 тонны.
Современные авиационные реактивные двигатели очень отличаются от тех двигателей, которые будут работать на космических кораблях. Однако многое из этих двигателей может быть освоено и использовано двигателями космических кораблей. Это относится и к жаропрочным материалам и к форме камер сгорания и сопел и т. д.
Посмотрим, как устроены и работают современные авиационные реактивные двигатели.
Двигатели этих скоростных реактивных самолетов — ближайшие родственники двигателей будущих космических кораблей.
ДВИГАТЕЛЬ СКОРОСТНОГО САМОЛЕТА
Предложенный К. Э. Циолковским ракетный двигатель, работающий на жидком топливе, содержал в своих баках все — и горючее и окислитель. Он был рассчитан для работы в безвоздушном пространстве; для этой цели предложенная Циолковским конструкция была единственно возможной и единственно правильной.
Но ведь самолет рассчитан для полета в воздухе, в котором вполне достаточно кислорода для горения любого практически применяемого топлива. Поэтому не следует возить с собой на самолете окислитель, который можно брать прямо из атмосферы.
В том, что реактивный двигатель самолета использует в качестве окислителя кислород воздуха, а ракетный двигатель космического корабля должен будет взять его с собой — основная разница между ними.
…С прозрачного синего неба, в котором, словно подчеркивая его синеву и прозрачность, лишь кое-где плавают легкие кучевые облачка, доносится гул самолета. Люди поднимают головы, смотрят в сторону этого гула, стараясь увидеть его источник. Но небо в той стороне чисто. И только совсем в стороне случайно некоторые замечают черную точку, несущуюся по небосклону. Вот она качнулась в воздухе, и в лучах солнца сверкнули серебристые крылья. Она изменила движение и пошла почти вертикально вверх. Вот она почти растаяла в голубом просторе. А звуки доносятся к нам из той части неба, в которой ее уже давно нет. Это летает реактивный самолет.
Еще несколько стремительных разворотов в воздухе, мертвых петель, вертикальных взлетов и падений — и, стремительно снизившись, краснозвездный самолет уже бежит по бетонной дорожке аэродрома. У него красивое тонкое тело, узкие, отброшенные назад, крылья, высоко поднятое хвостовое оперение. Он похож на метательный снаряд, на стрелу, выбрасываемую гигантской катапультой. И полет его — отнюдь не парение в воздухе прежних самолетов. Воздух больше мешает, чем помогает его полету…
В передней части корпуса самолета большое круглое отверстие. Когда самолет движется с большой скоростью, в это отверстие попадает встречная струя воздуха. Она сразу же поступает на лопасти компрессора, вращающиеся со скоростью 14–15 тыс. оборотов в минуту. Компрессор сжимает воздух, делает его более плотным. Этот сжатый воздух направляется в камеры сгорания, в которые вбрызгивается и жидкое топливо. Оно смешивается с воздухом и моментально сгорает. Температура в камере сгорания поднимается выше 1500°, и этот раскаленный поток сжатых газов устремляется в выхлопные сопла. Но на пути их встречается неожиданное препятствие — лопасти газовой турбины. Огненный вихрь ударяет в них и заставляет вращаться. Эта турбина и приводит в движение компрессор, который сжимает входящий в двигатель воздух. Пройдя турбину, поток раскаленного газа попадает в выхлопное сопло.
Сопло устроено расширяющимся к выходному отверстию. В таком расширяющемся сопле по мере продвижения газов от наиболее узкого места к широкому газы расширяются, снижаются их температура и давление, но непрерывно растет скорость движения. А мы уже знаем, что чем больше скорость выхлопных газов, тем больше будет тяга двигателя, тем он будет мощнее.
Современный реактивный авиационный двигатель — двигатель высоких параметров. Свыше 1500° температура в его камере сгорания, сотни и тысячи метров в секунду — скорость газовых потоков в реактивном сопле, 15 тыс. оборотов в секунду — скорость вращения дисков компрессора и турбины.
Вместе с тем реактивный двигатель очень прост по своему устройству. У него нет частей, совершающих возвратно-поступательное движение, как у поршневого двигателя, нет или почти нет зубчатых и других передач. Даже в тех случаях, когда на валу такого двигателя устанавливают впереди пропеллер, это не требует сложных устройств, вроде тех, что существуют у поршневых моторов для превращения возвратно-поступательного движения во вращательное.
