Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня
А ведь судьбу метеоритов разделило уже немало их искусственных собратьев — высотных ракет и искусственных спутников Земли. Они закончили свой жизненный путь в плотных слоях атмосферы, врываясь в нее с огромной скоростью на обратном пути из космоса. Земной поверхности достигали в этих случаях только отдельные оплавленные обломки, немые свидетели полыхавшего в небе пламени. Багровое пламя, лизавшее стенки кораблей-спутников «Восток», видели их космические капитаны, когда направляли свои корабли на посадку. Это пламя все-таки появлялось, хотя предварительно скорость кораблей была намного уменьшена с помощью тормозных двигателей. Скорость полета самолетов неумолимо и быстро приближается к этой роковой черте. В рекордных полетах самолета «Х-15», о которых говорилось выше 2*, температура обшивки достигала 760°!
Так на пути развития авиации возникает новый и, судя по всему, страшный «барьер», получивший название «теплового». Но этот новый барьер имеет одно принципиальное отличие от старого, звукового. «Звуковой барьер» действительно напоминает барьер тем, что связан с узкой зоной скоростей полета: перешагни через эту опасную полосу — и барьер позади.
Новый «барьер» гораздо хуже. Это скорее не барьер, а огромная гора, круто поднимающаяся в небо, и чем дальше (то есть чем больше скорость полета) — тем круче, так что и конца ей нет.
Как же преодолеть «тепловой барьер»? Какие пути решения этой сложнейшей задачи видит авиационная наука, какие средства она для этого предлагает?
Существует одно радикальное средство — высота полета. Чем выше, тем больше допустимая скорость.
Легко понять, почему это так. Тепло, сообщаемое воздухом поверхности быстролетящего самолета, представляет собой, по существу, как уже говорилось выше, кинетическую энергию мириадов частиц воздуха, тормозящихся у этой поверхности. Но ведь если число этих частиц действительно огромно у земли, в плотной атмосфере, то с высотой оно быстро уменьшается. Поэтому уменьшается и тепло, сообщаемое самолету в результате аэродинамического нагрева. Дело не меняется даже от того, что на больших высотах скорость беспорядочного, так называемого теплового движения каждой частицы оказывается очень большой, то есть температура воздуха — очень высокой, достигающей сотен и даже тысяч градусов. Если бы воздух при такой температуре был к тому же и плотным, то на этих высотах стал бы невозможен не только скоростной, но и вообще любой полет. Эта «огненная завеса» заставила бы надолго, если не навсегда, распроститься с идеей межпланетного полета.
К счастью, дело обстоит иначе. Воздух на больших высотах крайне разрежен. Число частиц воздуха там так мало (оговоримся — не абсолютное число; даже на высотах 100–150 километров в 1 кубическом сантиметре все еще находятся сотни миллиардов молекул воздуха), что они могут сообщить поверхности самолета лишь ничтожное количество тепла. В то же время поверхность самолета излучает в этих условиях много тепла. Поэтому там, на большой высоте, «теплового барьера» не существует. Выше примерно 80-100 километров практически уже нет ограничения в скорости полета.
Понятно теперь, почему максимально допустимая скорость полета зависит от высоты — чем выше, тем она больше. Только на большой высоте можно летать со скоростью, значительно превышающей скорость звука. Но, к сожалению, на большой высоте не только можно, но и нужно летать быстро: при недостаточно высокой скорости горизонтальный полет становится невозможным, потому что не создается необходимой подъемной силы. Поэтому полет самолетов будущего может происходить лишь в определенной, узкой полосе высоты и скорости — ее так и называют обычно «коридором». Авиация борется за расширение «коридора» — в первую очередь это касается преодоления «теплового барьера».
Полет в «коридоре» возможен с любой скоростью, была бы только достигнута нужная высота. Но увеличение высоты полета далеко не всегда применимо. Ведь это требует огромных расходов топлива и затрат времени. А иногда и вообще высотный полет не может быть использован, например для ряда военных самолетов.
Авиация настойчиво ищет иных путей преодоления «теплового барьера». Пусть не полного, пусть барьер будет только отодвинут в область еще больших скоростей полета — одно это было бы серьезной победой. А такие «невидимые» победы авиация одерживает сейчас изо дня в день.
Обычные металлы, из которых строятся самолеты — легкие и прочные сплавы алюминия и магния, — теряют свою прочность при нагреве примерно до 200°. Это ограничивает уже сейчас рост скорости полета. Значит, надо искать другие конструкционные материалы, сохраняющие прочность при более высоких температурах. Разумеется, они должны быть и достаточно легкими.
1* Подробнее об этом см. главу XV.
2* По сообщению журнала «Интеравиа эр леттер», № 5036, 1962 г.
«Коридор» длительного полета самолетов.
Какие же новые жаропрочные материалы исследуют сегодня авиаконструкторы вместе с металлургами, чтобы сделать их основными конструкционными материалами авиации завтрашнего дня? Конечно, на первом месте стоит здесь титан и его сплавы. Не зря титан называют металлом будущего. Он всего примерно в полтора раза тяжелее алюминия, но зато сохраняет прочность до температуры 500–600°, что отодвигает «тепловой барьер» примерно с 2 тысяч километров в час до 3–4 тысяч.
Уже сейчас титан находит все большее применение в авиации, и не только для изготовления частей самолета, но и его двигателя. С наступлением «теплового барьера» воздух, проходящий по компрессору двигателя, приобретает температуру, достигающую и даже превышающую температуру газов перед турбиной современных турбореактивных двигателей. Нечего сказать, хороша «холодная» сторона двигателя, как обычно называют теперь переднюю его часть в отличие от «горячей», задней! Вот почему лопатки первых ступеней компрессора теперь все чаще изготовляют не из алюминия, а из титана. Задние же ступени имеют зачастую лопатки из жаропрочной нержавеющей стали.
Но титан — не единственный перспективный материал для авиации будущего. Несомненный интерес представляют собой и сплавы бериллия, лития, молибдена и др. Можно думать, что будут найдены и другие жаропрочные и легкие металлические сплавы.
Большое внимание привлекают керамические материалы, известные своей жароупорностью. К сожалению, они не обладают нужной прочностью и особенно плохо противостоят ударам. Плохо также выдерживают они и резкие изменения температур, обычные для двигателей. Но существуют большие возможности различных сочетаний жароупорной керамики с жаропрочным металлом. Многие из этих сочетаний настойчиво изучаются в настоящее время и, несомненно, найдут применение в будущем как в двигателях, так и для изготовления частей самолетов.
Конечно, нужно искать не только новые жаропрочные материалы. В самолете и его двигателе применяется значительное количество различных материалов, не идущих на изготовление их основных частей, но тем не менее играющих важную роль. Таковы, например, резины, обеспечивающие уплотнение механизмов и нужную во многих случаях упругость, изоляция электрических проводников, шланги и многочисленные другие детали из резин и пластмасс, специальные жидкости для гидросистем и многое другое. Понятно, что и они должны сохранять надежность и все свои замечательные свойства в условиях «теплового барьера». Это требует настоящей революции в производстве таких материалов. Новые сорта жароупорных пластмасс, стеклоткань, металлизованный графит, замечательные кремниевые резины — силиконы и множество других новых веществ, рождающихся сейчас в лабораториях ученых, станут рядовыми в авиации будущего. Без них «теплового барьера» не преодолеть.
Изменится и топливо, на котором работает двигатель. Новые топлива не только не должны воспламеняться в баках из-за нагрева в полете, но и сильно испаряться в условиях скоростного полета 3*. Они должны быть очень калорийными, чтобы обеспечить дальний полет, должны устойчиво гореть при полете в разреженной атмосфере — на больших высотах.
Найти новые материалы, способные отодвинуть «тепловой барьер», — это еще пол дела. Перед авиацией стоят и другие не менее важные задачи.
Стоит упомянуть, например, о разработке новых методов конструирования самолета. До сих пор практически все части самолета имели примерно одинаковую температуру. Теперь, в условиях «теплового барьера», положение изменится. Как только самолет полетит с большой, «тепловой» скоростью, температура его обшивки быстро повысится. Какое-то время внутренние части конструкции будут оставаться по-прежнему холодными, но затем снаружи внутрь потечет тепло. До тех пор, пока не установится одинаковая температура во всех частях самолета, будет существовать этот тепловой поток. Но такой неравномерный нагрев очень вреден для конструкции. Отдельные ее части начнут коробиться, изгибаться, трескаться. Самолет может из-за этого рассыпаться в воздухе. Очевидно, наука о прочности самолетов, совершившая за последние годы чудеса и сумевшая значительно облегчить самолет, должна сделать еще один важнейший шаг вперед. Она должна указать конструктору, как построить самолет, способный выдержать большие разности температур, и как их уменьшить.
