В небе завтрашнего дня

Гильзин Карл Александрович

Часть первая. Двигатели фантастических скоростей

 

 

Глава I. На дальних подступах

В этой главе рассказывается о последних успехах поршневых авиационных двигателей и закате их славы, о том, почему они не смогли преодолеть «звуковой барьер» и навсегда потеряли свое былое значений в авиации.

Это было в 1934 году. Все страны облетела сенсация — установлен новый абсолютный мировой рекорд скорости полета. Летчик Аджелло на итальянском гоночном гидроплане «Макки Кастольди» пролетел три километра с огромной, невиданной для того времени скоростью — 709 километров в час.

Нельзя было не залюбоваться грациозным гидропланом. Его узкое, стремительно вытянутое тело было высоко приподнято над ножевидными поплавками и напоминало гигантскую стрекозу, опустившуюся на гладь моря. Даже неспециалист видел, сколько инженерного искусства понадобилось для создания этого самолета: в нем не было ни одного грамма лишнего веса, ни одного кубического сантиметра лишнего объема. В изящном фюзеляже с совершенными аэродинамическими очертаниями конструктор скупо отмерил место для летчика — все остальное было занято двумя мощнейшими для того времени поршневыми двигателями, по 1600 лошадиных сил каждый. Они стояли друг за другом, и их объединенная мощность использовалась для вращения общего винта. Все было подчинено только одному — поставить рекорд во что бы то ни стало. Пусть на этом самолете потом нельзя будет летать, пусть перенапряженные двигатели выйдут из строя, лишь бы поставить рекорд!

Мировые рекорды скорости самолетов (начиная с 1945 г., все рекорды установлены реактивными самолетами).

И вот цель достигнута. Старый рекорд, установленный год назад, превзойден на 27 километров. Это означало увеличение скорости на 4 процента — большой скачок за год.

Отчего же вслед за этим некоторые специалисты стали высказывать мрачные прогнозы, заговорили о тупике, о «кризисе» авиации? Почему десятки научных работ доказывали, что эта последняя победа авиации — пиррова победа, что у авиации нет будущего в борьбе за скорость? Ученые писали, что самые невероятные усилия смогут лишь ничтожно продвинуть авиацию на пути к недостижимой мечте — скорости звука.

Шли годы, и казалось, действительность подтверждает взгляды самых мрачных скептиков.

Ученые и инженеры выжали все, что можно, из аэродинамики, облагородив внешние формы самолета. Машина с двумя крыльями — биплан, — прочная, хорошо проверенная, маневренная, уступила свое место самолету с одним крылом — моноплану — главным образом потому, что моноплан обладает меньшим лобовым сопротивлением и позволяет летать быстрее. Была осуществлена давнишняя мечта авиаконструкторов — убирающееся шасси. Теперь ничто не выступало за контуры летящего самолета, ничто не мешало ему лететь со все большей скоростью.

Вместе с этим широкое применение получили так называемые высотные авиационные двигатели — двигатели с наддувом, сохраняющие постоянную мощность до высоты в несколько километров. Это позволило летать с максимальной скоростью на значительной высоте, где воздух разрежен и оказывает меньшее сопротивление. У двигателей без наддува мощность стремительно падает с высотой — почти так же, как и плотность атмосферного воздуха, — на высоте 5 километров она примерно вдвое меньше, чем у земли. Двигатель с наддувом снабжен нагнетателем, который сжимает воздух, так что в цилиндры все время поступает воздух постоянного давления независимо от высоты полета.

Можно было считать, что сделано все для максимального повышения скорости полета. Тем не менее рекорд итальянского гидроплана оставался непревзойденным. Только через пять лет, в 1939 году, немецкий летчик Ванд ель на самолете «Мессершмитт» побил наконец этот рекорд.

Снова, как и прежде, конструкторы сделали все, что могли, для достижения наибольшей скорости. Так, например, один из топливных баков самолета был наполнен не бензином, а водой. Почему же это привело к увеличению скорости на несколько десятков километров в час? Обычно на самолетах вода, охлаждающая двигатель, протекает через радиатор, который обдувается встречным потоком воздуха. Тепло, полученное в двигателе, вода отдает этому воздуху и снова поступает в двигатель, циркулируя в замкнутом контуре. Но сопротивление радиатора сильно уменьшает скорость полета. На рекордном самолете радиатор был отключен, и охлаждающая вода свободно испарялась в атмосферу. Вот для этого-то она и была запасена в баке.

Рекорд итальянца был побит на 46 километров в час. За пять лет бурного технического прогресса скорость возросла на 6,5 процента, то есть всего по 1,3 процента в год. Немногим более одного процента, — и это ценой колоссальных усилий ученых, конструкторов, рабочих, инженеров, высокого мастерства летчиков!

Видно, не без основания заговорили в свое время о барьере на пути развития авиации. Сейчас это волновало ученых и специалистов во всех странах. Но почему «звуковой барьер» упоминался в те годы не иначе, как непреодолимая преграда? Почему так встревожились ученые и конструкторы еще на далеких подступах к нему? Ведь скорость звука в воздухе равна примерно 1225 километрам в час, а последний рекорд равнялся всего лишь 755 километрам в час.

Это объяснялось двумя причинами.

Одна из них связана с физическими явлениями, происходящими в воздухе при полете с большой скоростью, другая — с особенностями «сердца» самолета — поршневого двигателя.

Явления в воздушном потоке, обтекающем быстродвижущееся тело, изучались во многих странах еще задолго до того, как самолеты стали летать с такими скоростями. Исследования установили, что при больших скоростях движения воздух становится как бы иным по своим физическим свойствам. В потоке, набегающем на самолет с малой скоростью, развиваются столь ничтожные избыточные давления, что, несмотря на сжимаемость воздуха, его сжатие практически отсутствует. Иначе обстоит дело при полете со скоростью звука — в этом случае давления уже становятся значительными и, естественно, под их действием воздух сжимается, уплотняется; сопротивление, которое он оказывает самолету, резко возрастает.

Но известно, что сжимаемость начинает серьезно сказываться лишь при скорости воздушного потока, близкой к скорости звука. Почему же «звуковой барьер» стал ощущаться еще на дальних подступах к нему, при скоростях полета, составляющих лишь 2/з от скорости звука?

Здесь никакой загадки, конечно, нет. Скорость потока, обтекающего самолет, в особенности его крыло, на некоторых участках поверхности может быть значительно больше, чем скорость полета. Вот почему некоторые участки поверхности крыла как бы «летят» с гораздо большей скоростью, чем весь самолет. Понятно, что здесь-то и начинаются беды, связанные со сжимаемостью воздуха, хотя самолет летит еще со скоростью, далекой от звуковой. В этом «смешанном» обтекании, когда одни части самолета омываются дозвуковым, а другие — сверхзвуковым потоком, заключается причина главных неприятностей, причиняемых «звуковым барьером».

Так «звуковой барьер» напоминает о себе еще при скоростях полета, достаточно далеких от скорости звука. Чем ближе к этой скорости, тем сильнее добавочное сопротивление летящему самолету, связанное со сжимаемостью воздуха (это сопротивление часто называют волновым). Как будто какая-то могучая рука упирается в нос самолета и мешает лететь быстрее.

Но если сопротивление воздуха быстро растет по мере приближения к «звуковому барьеру», то очевидно, это предъявляет повышенные требования к силовой установке самолета. Ведь она и существует, чтобы преодолевать это сопротивление, точнее говоря — чтобы развивать тягу, необходимую для полета.

Неудивительно, что все взоры обратились к силовой установке, то есть к поршневому двигателю с винтом.

Как известно, тяга непосредственно создается воздушным винтом. Он отбрасывает огромные массы воздуха, как гребной винт теплохода — воду. Отдача отбрасываемого воздуха, или реакция, и есть та сила тяги, которая заставляет лететь самолет. Для вращения винта нужно, конечно, затрачивать работу — ее совершает двигатель. Но не вся мощность двигателя расходуется винтом полезно, то есть на создание тяги. Часть ее теряется на завихрение воздуха, закрутку отбрасываемой струи и т. д. — это вредные потери. Оказывается, с ростом скорости полета эти потери увеличиваются — все из-за той же сжимаемости воздуха. Значит, винт только осложняет задачу двигателя: с ростом скорости его мощность должна расти еще быстрее .

Вот здесь-то и сказалась решающая слабость поршневого двигателя, заставившая специалистов говорить о кризисе и тупике авиации. Свойства поршневого двигателя тактов л, что его мощность вовсе не растет с увеличением скорости, она практически остается неизменной. Если нужна новая, увеличенная мощность, то нужен и новый, более мощный двигатель. Но такой двигатель обязательно будет и большим по размерам и более тяжелым, а это потребует увеличения размеров самолета — значит, снова возрастет потребная мощность двигателя. Так поршневой авиационный двигатель, несмотря на свое исключительное совершенство, оказался не в состоянии решить задачу дальнейшего роста скорости полета.

Нужен был двигатель нового типа, способный развивать гораздо большую мощность при тех же размерах и весе.

1* Это не значит, что винт не может применяться при больших, даже сверхзвуковых скоростях полета. Здесь, как и в случае с самолетом, сказывается смешанный режим обтекания, когда на одни части лопасти устремляется сверхзвуковой воздушный поток, а на другие — дозвуковой. Ведь каждому из этих режимов отвечает свой, наивыгоднейший профиль сечения лопасти.

 

Глава II. По ту сторону «звукового барьера»

В этой главе речь идет о появлении авиационных двигателей нового типа — турбореактивных, о вызванной ими технической революции в авиации, о том, как с их помощью удалось преодолеть «звуковой барьер», а также о слабостях этих двигателей, препятствующих дальнейшей борьбе за увеличение скорости полета.

Рекорд скорости, установленный в 1939 году, был последним рекордом поршневого двигателя. Дальнейший стремительный прогресс авиационной техники связан уже с двигателем принципиально иного типа — турбореактивным.

Появление турбореактивного двигателя сразу перенесло штурм «звукового барьера» с дальних на ближние подступы. Уже первые появившиеся после войны самолеты с турбореактивными двигателями достигли скорости полета, близкой к 1000 километров в час, а затем и перешагнули этот рубеж.

Секрет успеха турбореактивного двигателя прост — при тех же размерах и весе, что и поршневой, он в состоянии развить в условиях скоростного полета значительно большую (в 10–20 раз) мощность. Более того, с ростом скорости полета мощность турбореактивного двигателя все время возрастает.

В чем же заключается принципиальное отличие турбореактивного двигателя от поршневого?

Оказывается, дело в количестве воздуха, которое может пройти через двигатель данных размеров в единицу времени. Ведь чем больше воздуха проходит через двигатель, тем больше топлива в нем сгорает, больше выделяется тепла и, следовательно, увеличивается мощность двигателя. Но почему через турбореактивный двигатель проходит намного больше воздуха, чем через поршневой? И в этом ничего удивительного нет. Через турбореактивный двигатель воздух течет непрерывно. Кроме того, для этого течения предоставлена большая часть поперечного, или миделевого, как его называют, сечения двигателя. Иначе обстоит дело в поршневом двигателе. В его цилиндры воздух втекает периодически. К тому же сечение впускных отверстий в этом двигателе во много раз меньше его миделевого сечения.

Естественно поэтому, что воздуха в поршневой двигатель поступает в десятки раз меньше, чем в турбореактивный.

Так переход от поршневых к турбореактивным двигателям позволил резко увеличить мощность силовой установки самолета и тем самым повысить скорость полета. Но скорость полета должна непрерывно расти, а это требует увеличения тяги двигателя.

Поэтому борьба за скорость полета для турбореактивного двигателя — это борьба за тягу. Неудивительно, что с момента появления турбореактивных двигателей их тяга непрерывно увеличивается.

Первые турбореактивные двигатели имели тягу 700–800 килограммов, а новейшие реактивные самолеты снабжены двигателями, тяга которых превышает 10 тонн .

Можно ли увеличить тягу турбореактивного двигателя без значительного увеличения его размеров и веса? Да, можно.

Для этого нужно увеличить либо количество воздуха, проходящего через двигатель в секунду, либо скорость истечения газов из него.

Для увеличения расхода воздуха проще всего, конечно, увеличить диаметр двигателя. Но это более всего нежелательно, если учесть, как вредно лобовое сопротивление при больших скоростях полета. Другой путь — увеличение скорости, с которой воздух входит в двигатель, но это неизбежно приводит к увеличению потерь давления в нем и сильно ухудшает работу двигателя. Да и увеличить эту скорость можно только до определенного предела — до скорости звука.

2* По журналу «Эркрафт инжиниринг», апрель 1963 г., и др.

Воздухозаборное отверстие турбореактивного двигателя почти равно по сечению миделевому.

Наконец, существует и еще один путь, который используется конструкторами, — увеличение сечения для прохода воздуха при том же общем диаметре двигателя. Для этого нужно убрать все, что мешает течь воздуху через двигатель, «расчистить» газовоздушный тракт — вынести оттуда разные агрегаты, уменьшить до минимума диаметр втулки компрессора и пр. В последнее время преимущественное применение получили двигатели с осевым компрессором, а более распространенные ранее двигатели с центробежным компрессором отошли на второй план. Одна из причин этого как раз в том, что через двигатели с осевым компрессором при одинаковом диаметре проходит больше воздуха .

Но совершенно яснр, что такие возможности увеличения расхода воздуха через двигатель ограничены, хотя именно за этот счет и шло до сих пор главным образом увеличение тяги турбореактивных двигателей.

Очевидно, что для увеличения тяги, без чего нельзя повысить скорость полета, остается лишь вторая возможность — увеличение скорости истечения газов из двигателя.

Все видели, как из чайника со свистом вырывается струя пара. Почему она появляется только тогда, когда вода закипает? Ответ очевиден: только в этом случае пара образуется так много, что давление внутри чайника повышается и пар, приподнимая крышку, с силой устремляется наружу.

3* Об устройстве и работе различных авиационных двигателей (в частности, о двигателях с осевым и центробежным компрессором) подробнее рассказано в научно- популярной брошюре К. Гильзина «Воздушно-реактивные двигатели», Военгиз, 1956.

Большой и маленький — сравнение размеров мощного турбореактивного двигателя тягой 7–8 тонн и маломощного двигателя тягой примерно 200 килограммов.

Значит, чтобы скорость истечения была высокой, нужно увеличить давление. Поэтому первой напрашивается мысль — для повышения скорости истечения нужно увеличить давление воздуха, выходящего из компрессора, то есть сильнее сжимать воздух в нем.

Однако такой вывод оказывается поспешным. В действительности, если сильнее сжать воздух в компрессоре, то скорость истечения либо увеличится очень незначительно, либо даже… уменьшится. Это объясняется тем, что более сильное сжатие воздуха в компрессоре требует большей затраты работы. Но чтобы турбина двигателя, приводящая компрессор в действие, развивала большую мощность, должно быть большим и расширение газов в ней. Поэтому может оказаться, что давление воздуха после компрессора и, следовательно, давление газов перед турбиной возрастет, а давление и температура газов з а турбиной в результате более сильного расширения в ней не только не возрастут, а даже снизятся. Снизится поэтому и скорость истечения газов, а значит — и тяга. Если все же развитие турбореактивных двигателей связано с непрерывным увеличением сжатия воздуха в компрессоре, то это делается не для повышения тяги, а для снижения расхода топлива на 1 килограмм тяги, то есть для повышения экономичности двигателя.

Для увеличения скорости истечения газов практически остается один путь — повышение их температуры. Чтобы увеличить скорость вдвое, температура газов должна возрасти в четыре раза . Чтобы, например, увеличить скорость истечения с 600 до 800 метров в секунду, то есть на одну треть, надо повысить температуру газов перед турбиной с 850 примерно до 1700°.

Такое увеличение тяги на одну треть было бы решающим успехом в штурме «звукового барьера»!

Однако именно в этом направлении за прошедшие годы сделано сравнительно мало — ведь уже в первых турбореактивных двигателях температура газов перед турбиной достигала 800°, а сейчас она все еще не превышает обычно 900–950°. Очевидно, должны быть весьма серьезные причины такого медленного роста.

Может быть, более высокие температуры газов в двигателе вообще не могут быть получены из-за малой калорийности топлива?

Нет. При сгорании керосина в воздухе температура газообразных продуктов горения может достигать и даже превышать 2000°.

Тогда, может быть, причина заключается в невыгодности такого метода увеличения тяги — из-за ухудшения экономичности двигателя, то есть увеличения расхода топлива на килограмм тяги?

И опять нет! Ведь, если это невыгодно в длительном полете, то при кратковременном увеличении тяги, или так называемом форсировании двигателя (нужда в нем часто возникает в летной эксплуатации), расход топлива, естественно, не играет такой большой роли. Более того, при больших сверхзвуковых скоростях полета расход топлива не только не возрастает с ростом температуры газов, но даже уменьшается!

4* Как учит термодинамика — наука о преобразовании тепла в работу, — скорость истечения пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газов.

Турбинное колесо-«ахиллесова пята» газотурбинного двигателя.

Истинное объяснение связано с одной из основ ных особенностей работы турбореактивного да и любого другого газотурбинного двигателя. Речь идет о важнейшей, еще не преодоленной пока его слабости, его «ахиллесовой пяте» — газовой турбине, точнее — о ее лопатках.

Турбинные лопатки работают в исключительно тяжелых условиях, и в этом отношении вряд ли их можно с чем-нибудь сравнить. Они прикреплены к турбинному диску, диаметр которого в новых мощных турбореактивных двигателях достигает метра. Это колесо делает много тысяч оборотов в минуту, и при работе двигателя на лопатки действует огромная центробежная сила, в десятки тысяч раз превосходящая вес лопатки. Только самые прочные металлы могут выдержать подобные нагрузки.

Но мало того. Из сопел турбины на лопатки вырывается стремительный поток газов, несущийся со скоростью многих сотен метров в секунду. Под действием этого потока лопатки начинают вибрировать. Они изгибаются, скручиваются, трепещут неизмеримо сильнее, чем кленовые листья на ураганном ветру. Под действием этих колебаний металл и без того сильно перегруженных лопаток «утомляется», не выдерживает — лопатка разрушается. Немало усилий приходится затрачивать, чтобы изменением конструкции двигателе избавить лопатки хотя бы от самых опасных и неприятных колебаний.

Но и это не все. Поток газов, вырывающийся из сопла на лопатки, нагрет до 850–900°. Естественно, что лопатки, представляющие собой, по существу, тонкие длинные полоски металла, быстро раскаляются докрасна, их температура лишь на 100–150° ниже температуры газов. Самые прочные металлы катастрофически теряют прочность при таком нагреве. Неудивительно, что сильно нагруженные, вибрирующие лопатки, даже изготовленные из металлов, обладающих изумительной, ни с чем не сравнимой прочностью, не выдерживают и обрываются. Чтобы сохранить огромную прочность при высоких рабочих температурах, лопатки газовой турбины изготовляют из особых сплавов, в которые входят многие ценные и редкие металлы — вольфрам, кобальт, никель, ванадий, ниобий и другие. Эти металлы придают сплаву не простую прочность, а прочность при высокой температуре, жаропрочность. Но даже и такие сверхжаропрочные лопатки, оказывается, недостаточно хороши для турбореактивных двигателей.

В условиях работы газовых турбин проявляется еще одна слабость металла, еще одна его болезнь — «ползучесть», или крип. Оказывается, под действием громадных центробежных сил раскаленная лопатка постепенно удлиняется, сначала медленно, а затем все быстрее. Эта пластическая деформация может перерасти в грозную опасность для турбины. Достаточно лопатке немного удлиниться, чтобы задеть за корпус, и она немедленно сломается. Ведь радиальный зазор между лопатками и корпусом очень мал: иначе произойдет значительная утечка газов, и турбина будет плохо работать. Иной раз лопатка ломается вследствие ползучести, даже и не задевая за корпус, а просто оттого, что чересчур ослабляется.

Значит, материал для изготовления лопаток должен быть не только сверхжаропрочным, но и крипоустойчивым. Материалов с подобными качествами природа не знала, людям пришлось их создавать. Только замечательные достижения металлургии позволили осуществить давнишнюю мечту инженеров — создать газовую турбину.

Вот почему и кажущееся таким небольшим повышение температуры газов перед турбиной с 800 до 900°, о котором шла речь выше, было в действительности огромной победой техники — ведь повышение температуры на один градус приводит к уменьшению жаропрочности материала примерно на один процент!

Понятно, почему дальнейшее повышение температуры газов перед турбиной оказывается крайне сложным дедом. И все же резервы для такого повышения есть огромные. Мы уже говорили, что при сгорании керосина в воздухе температура газов может достигать и даже превышать 2000°. Чтобы снизить эту температуру до 800–900°, к продуктам сгорания приходится добавлять более холодный воздух. Таким образом, только часть воздуха, выходящего из компрессора, не более 1/3-1/4 от общего количества, участвует в сгорании топлива в современных турбореактивных двигателях. Другая, большая часть служит лишь для охлаждения продуктов сгорания. Если бы лопатки турбины позволили, то в том же двигателе можно было сжигать в 3–4 раза больше топлива, что и привело бы с ростом температуры газов к увеличению тяги двигателя. Но, увы, это пока невозможно.

Стоит подать в камеру сгорания чуть-чуть больше топлива, как температура газов сейчас же увеличится и может превысить максимально допустимую, а это грозит выходом из строя турбинных лопаток и аварией двигателя.

Как же ученые, конструкторы и инженеры пытаются повысить температуру газов в турбореактивном двигателе?

Следует отметить, что эта проблема важна не только для турбореактивного двигателя — еще более важна она для так называемого турбовинтового двигателя, в котором турбина вращает воздушный винт. Оказывается, при повышении температуры газов не только увеличивается мощность турбовинтового двигателя, но и улучшается его. экономичность, то есть уменьшается расход топлива на одну лошадиную силу. А ведь турбовинтовые двигатели привлекают к себе все большее внимание как превосходные двигатели для скоростных пассажирских самолетов, — кто не знает ниши замечательные самолеты «ТУ-114», «ИЛ-18» или «АН-10»? Понятно поэтому то внимание, которое уделяется проблеме создания высокотемпературной авиационной газовой турбины.

Эта проблема решается двумя различными путями. Металлурги, химики, физики, материаловеды стараются создать новые, более жароупорные конструкционные материалы. Вероятнее всего, это будут уже не металлические сплавы — они одни не в состоянии решить задачу. Только различные комбинации прочных металлов со сверхжароупорной керамикой могут помочь конструктору, создающему высокотемпературную турбину»

Другой путь — охлаждаемая турбина. Если сделать лопатки полыми можно предусмотреть в них каналы для охладителя (воздуха или жидкости), то температуру газов можно значительно повысить, не повышая температуры лопатки. Понятно, что циркулирующий в каналах лопаток охладитель будет уносить с собой часть полезного тепла.

Турбовинтовые двигатели «ТУ-114».

Другая потеря будет связана с затратой работы на проталкивание охладителя через каналы. Однако возможность значительного повышения рабочей температуры газов более чем компенсирует эти потери.

Этим объясняется то, что в самое последнее время в эксплуатации появляются турбореактивные и другие авиационные газотурбинные двигатели с турбинами, имеющими лопатки с воздушным охлаждением. В частности, например, в новом английском турбореактивном двигателе «Спей» (точнее — этот двигатель является не простым турбореактивным, а так называемым двухконтурным; о подобных двигателях речь будет идти ниже, в главе V) температуру газов перед турбиной удалось повысить таким образом до 1040°. В других зарубежных двигателях этого типа температура газов достигает даже 1130°. Большой прогресс!

Одним из весьма перспективных методов охлаждения турбинных лопаток считают, в частности, так называемое проникающее охлаждение. В этом случае лопатки изготовляются методом порошковой металлургии, то есть спеканием мельчайших зерен металла. В стенке лопатки, которая делается полой, образуется множество микроскопических каналов. Через эти каналы изнутри подается под давлением какая-нибудь охлаждающая жидкость. Она выступает на поверхности лопатки, омываемой раскаленными газами, создавая защитный холодный слой. Лопатка в этом случае как бы «потеет», отчего эту систему охлаждения называют иногда «охлаждение выпотеванием». Температура лопатки при таком охлаждении оказывается меньшей, чем при других известных системах охлаждения.

Конечно, проблема создания высокотемпературной турбины будет со временем решена. Но ведь штурмовать «звуковой барьер» надо сейчас. Уже теперь для этого необходимо повышать тягу турбореактивных двигателей. Как же это сделать, если на пути увеличения температуры газов стоят турбинные лопатки?

Сама собой напрашивается мысль: если нельзя повысить температуру газов перед турбиной, то нельзя ли это сделать за ней? Ведь для увеличения скорости истечения газов и, следовательно, тяги нужно увеличить температуру газов, вытекающих из двигателя. А такого повышения температуры достигнуть просто — достаточно сжечь добавочное топливо уже за турбиной, в выхлопной трубе. Эта идея нашла широкое применение в реактивной авиации и помогла одержать победу в штурме «звукового барьера». Конструктивное воплощение она получила в виде так называемой форсажной камеры. В настоящее время форсажная камера является обязательным добавлением почти ко всякому мощному турбореактивному двигателю, установленному на скоростных военных самолетах.

Устройство камеры принципиально очень просто. Газы, выходящие из турбины, попадают в переднюю часть форсажной камеры, которая крепится к задней части двигателя. Эта часть камеры представляет собой расходящуюся коническую трубу. Скорость газов, движущихся в ней, уменьшается, а давление соответственно возрастает. Такое устройство называется диффузором.

Затем газы поступают в следующую часть форсажной камеры, которая носит название камеры сгорания. Здесь установлены топливные форсунки. Через них впрыскивается горючая жидкость — керосин или бензин. Жидкость сразу же воспламеняется и сгорает — ведь газы, вытекающие из двигателя, нагреты до 700–750°. Необходимый же для сгорания кислород всегда в избытке имеется в выхлопных газах (вспомните, сколько воздуха приходится добавлять к продуктам сгорания топлива в основной камере сгорания двигателя, чтобы снизить их температуру).

В результате сгорания добавочного топлива температура газов сильно повышается, и они устремляются в последнюю часть форсажной камеры — реактивное сопло. Здесь газы расширяются, скорость их увеличивается, и они покидают форсажную камеру, создавая реактивную тягу.

Форсажная камера имеет относительно небольшой вес, если учесть увеличение тяги, которое она дает. Это увеличение даже при работе двигателя на стоянке составляет примерно одну треть от тяги двигателя без форсажной камеры, а в полете с высокой скоростью оно еще более возрастает, так что исходная тяга двигателя почти удваивается.

Значит ли это, что применение форсажной камеры снимает задачу создания высокотемпературной турбины?

Конечно, нет. Увеличение тяги с помощью форсажной камеры очень невыгодно, так как приводит к большому перерасходу топлива. Ведь даже повышение температуры газов перед турбиной, как об этом уже говорилось, при современных скоростях связано с увеличением удельного расхода топлива, а следовательно, и уменьшением дальности полета. Что же говорить об увеличении температуры газов за турбиной, когда топливо сгорает при значительно меньшем давлении, чем в камере сгорания двигателя! .

Естественно, что перерасход топлива при работе форсажной камеры получается гораздо большим, и сколько-нибудь продолжительная работа ее поэтому недопустима. Форсажная камера служит лишь для кратковременного значительного увеличения тяги двигателя, или его так называемого форсажа. Конечно, и для форсажа сжигание добавочного топлива в камере сгорания двигателя, то есть перед турбиной, было бы гораздо выгоднее, чем за ней, в форсажной камере. Однако при условии очень кратковременной работы перерасход топлива не столь значителен. Поэтому форсажная камера и получила применение на военных самолетах, как истребителях, так и бомбардировщиках. Она используется в случаях, когда требуется кратковременное значительное увеличение скорости полета: в воздушном бою, на подходе к цели бомбометания и т. д. Форсажная камера и позволила реактивным самолетам перешагнуть через «звуковой барьер». Не будь ее, эта победа была бы отодвинута на значительное время.

Вот летит бомбардировщик с двумя турбореактивными двигателями необычной длины — это двигатели с форсажной камерой. Камеры поневоле должны быть длинными, иначе не удастся сжигать в них топливо, впрыскиваемое в газовый поток.

Бомбардировщик летит очень быстро, как бы вонзаясь своим стреловидным крылом в небо. Но вдруг из обоих двигателей блеснули длинные языки пламени, и самолет резко увеличил скорость, будто брошенный чьей-то могучей рукой. Это летчик включил форсажные камеры. С оглушительным грохотом, значительно более сильным, чем обычный гул работающего турбореактивного двигателя, самолет исчез за горизонтом. Легко понять, сколь спасительной может оказаться такая скорость, если самолет попадет под ураганный зенитный огонь…

5* По журналу «Эркрафт инжиниринг», № 395, 1962 г.

6* По журналу «Флайт», 1 августа 1963 г.

7* Чем меньше давление, при котором происходит подвод тепла к газу (в данном случае — сгорание), тем менее выгоден этот подвод, так как тем меньшая доля тепла переходит в работу при последующем расширении газа.

Работает турбореактивный двигатель с форсажной камерой.

Форсажная камера получила широкое распространение уже сейчас, а в ближайшее время она станет обязательной частью любого скоростного реактивного самолета. Это объясняется не только тем, что с помощью форсажной камеры проще достигнуть сверхзвуковых скоростей полета, но и тем, что при увеличении скорости полета форсажная камера становится, как об этом уже говорилось, все более выгодной (точнее говоря — все менее невыгодной). С большой степенью вероятности можно считать, что в области скоростей полета от звуковой до вдвое и даже, может быть, втрое (а по некоторым высказываниям — даже вчетверо) превосходящей звуковую, основным двигателем военной авиации будет турбореактивный с форсажной камерой. А при еще больших скоростях?

 

Глава III. Летающие топки

Из этой главы читатель узнает об одном из авиационных двигателей будущего — прямоточном, его достоинствах, недостатках и перспективах применения в авиации завтрашнего дня.

Какой двигатель будет наивыгоднейшим при сверхзвуковых скоростях полета? Ответ на этот вопрос связан с одной из самых замечательных особенностей развития современной скоростной авиации.

Пока скорость полета оставалась сравнительно небольшой, еще достаточно далекой от скорости звука, авиацию устраивал один-единственный тип двигателя — поршневой. Штурм «звукового барьера» потребовал, как мы видели выше, применения двигателя нового типа- турбореактивного. Переход к реактивным двигателям является принципиальным, революционным переворотом в авиации, ибо с их помощью (конечно, для этого потребуются двигатели особых типов) стали возможны любые, сколь угодно большие скорости полета, вплоть до приближающихся к максимально возможной в природе — скорости света в вакууме, то есть 300 тысяч километров в секунду. Однако это вовсе не означает, что турбореактивный двигатель займет теперь место монополиста в авиации, принадлежавшее ранее поршневому двигателю. В сверхзвуковой области полета таково монополиста вообще быть не может. Разные по величине сверхзвуковые скорости требуют реактивных двигателей различного типа — так проявляется упомянутая выше особенность развития сверхзвуковой авиации.

Эта особенность заключается в большом, принципиальном влиянии скорости не только на полет самолета, но и на работу любого воздушно-реактивного двигателя, установленного на быстролетящем самолете. С таким влиянием практически не встречались, когда на самолетах устанавливали поршневые двигатели, и, конечно, оно не имеет места при установке на самолете ракетного двигателя, не использующего для своей работы атмосферный воздух. Это влияние характерно для двигателей воздушно-реактивных, к числу которых принадлежат и турбореактивные двигатели современной авиации. В чем же проявляется влияние скорости полета на работу турбореактивного двигателя?

Тот, кто прыгал с парашютом, не забудет мгновений, когда пролетаешь первые метры после отделения от самолета. Рука уже выдернула кольцо, и вот-вот прозвучит чудесной музыкой шелест раскрывающегося шелкового купола. Затем последует толчок, и начнется медленный спуск с заоблачных высот, когда сердце переполняется восторгом и с уст сама собой рвется песня… А пока — лишь свист рассекаемого воздуха, который неожиданно становится таким неподатливым, таким упругим.

Впрочем, нет нужды быть парашютистом, чтобы ощутить эту необычную упругость воздуха. Подобное ощущение знакомо лыжнику, стремительно спускающемуся с высокой горы, мотоциклисту, мчащемуся по гладкому шоссе, или спортсмену, прыгающему с вышки в воду. Да и каждый может испытать его — достаточно высунуть руку из быстро идущего поезда или автомобиля или пойти навстречу сильному ветру.

Та же сила, что бьет в этих случаях с размаху в грудь и лицо, но лишь многократно увеличенная, опрокидывает железнодорожные вагоны и вырывает с корнем деревья во время урагана.

Эта сила — скоростной напор воздушного потока, остановленного неожиданным препятствием. Вся кинетическая, скоростная энергия воздуха затрачивается в данном случае на его сжатие, на повышение давления. Повышенное, избыточное давление воздуха и создает силу, ощущаемую нами при быстром движении и оказывающуюся такой страшной при ураганах.

Но ведь реактивный самолет движется в воздухе со скоростью, во много раз большей, чем скорость самого сильного урагана. С какой же силой должен обрушиваться встречный поток воздуха на поверхность самолета!

Тормозится воздух и перед всасывающим отверстием турбореактивного двигателя, установленного на летящем с большой дозвуковой скоростью самолете. Ведь на двигатель встречный поток устремляется со скоростью, близкой к скорости звука; внутри же двигателя эта скорость уменьшается раза в три-четыре, а то и больше. Мы не видим этого процесса торможения, ибо воздух прозрачен. Но если как- нибудь окрасить воздух, то можно было бы заметить перед всасывающим отверстием двигателя огромную воронку, расширяющуюся по мере приближения к двигателю. Воздух, текущий через эту воронку, тормозится, его скорость уменьшается, а давление возрастает.

Простой расчет показывает, что даже во время самого страшного урагана скоростной напор ветра не превышает… сотых долей атмосферы. На первый взгляд, это даже несколько неожиданно: такие огромные разрушения — и столь незначительное избыточное давление, в десятки и сотни раз меньше нормального. Во всасывающем отверстии двигателя давление воздуха оказывается в десятки раз большим — ведь скоростной напор порождается кинетической энергией встречного воздушного потока: когда скорость увеличивается вдвое, избыточное давление возрастает вчетверо.

И все же пока скорость полета остается дозвуковой, величина этого избыточного давления невелика сравнительно со сжатием воздуха в компрессоре двигателя. Давление воздуха перед компрессором в результате скоростного напора повышается всего на несколько десятых килограмма на квадратный сантиметр. При дозвуковом полете скоростной напор лишь помогает сжимать воздух. Следует иметь в виду, что всякое увеличение давления перед компрессором сказывается в гораздо более сильном увеличении давления за ним — ведь давление в компрессоре возрастает в несколько раз . Вот почему, кстати сказать, форсажная камера и становится все более выгодной по мере роста скорости полета — давление в ней при этом возрастает.

Но когда скорость полета превышает скорость звука, то влияние скоростного напора на работу двигателя, постепенно увеличиваясь, может стать уже и качественно иным. На самом деле, при скорости полета, в два раза превосходящей скорость звука, давление перед компрессором теоретически может превосходить атмосферное в 7 раз, при трехкратной скорости звука — в 36 раз, а при четырехкратной — даже в 150 раз!

Совершенно очевидно, что при этих условиях отпадает надобность в компрессоре для сжатия воздуха, поступающего в двигатель. Но если не нужен компрессор; то не нужна и турбина с ее перегруженными лопатками. Во что же превращается в этом случае весь двигатель? В одну лишь камеру сгорания, имеющую спереди диффузор для торможения и сжатия набегающего потока воздуха, а сзади — реактивное сопло для разгона газов и увеличения скорости их истечения. Подобный двигатель носит название прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Таково важнейшее следствие влияния растущей скорости полета на работу воздушно-реактивного двигателя самолета. Это следствие, на первый взгляд, несколько неожиданно. На самом деле, борьба за непрерывный рост скорости полета до настоящего времени неизменно приводила к постепенному усложнению турбореактивного двигателя. Достаточно вспомнить хотя бы о той же проблеме повышения температуры газов перед турбиной. И вдруг такое принципиальное, огромное упрощение, как устранение наиболее сложных частей двигателя — компрессора и турбины! Так идет развитие авиации — не плавно, не постепенно, а скачками, когда накапливающиеся постепенные изменения вызывают резкий переход на качественно иную ступень развития. Так было, например, когда поршневой двигатель уступил место турбореактивному; так будет с турбореактивным двигателем, когда при значительно возросших скоростях полета он уступит место прямоточному.

Простота прямоточного воздушно-реактивного двигателя объясняет, почему его часто называют «летающей топкой». Ведь этот двигатель действительно представляет собой как бы одну топку, в которую непрерывно втекает широкой рекой воздух и из которой так же непрерывно вытекают раскаленные газы. И такая примитивная по идее топка, бессмысленная, если она неподвижна, превращается в совершеннейший реактивный двигатель, когда она мчится в воздухе со скоростью, в 3–4 раза превосходящей скорость звука. При этих условиях прямоточный двигатель не имеет себе равных во всем многочисленном семействе реактивных двигателей: он способен развивать наибольшую тягу на килограмм своего веса и вместе с тем меньше всех остальных расходовать топлива на килограмм развиваемой тяги. Расчет показывает, например, что прямоточный двигатель диаметром в один метр способен при скорости 4000–5300 километров в час развивать тягу в 150 и более тонн * расходуя в 8 раз меньше топлива, чем жидкостный ракетный двигатель, о котором речь будет идти ниже (это единственный двигатель другой конструкции, способный обеспечить полет с указанной выше скоростью). Неудивительно, что прямоточный двигатель по праву считают двигателем завтрашнего дня.

Конечно, прямоточный двигатель прост лишь по своей принципиальной схеме. В действительности он гораздо сложнее, а рабочий процесс в нем ставит труднейшие задачи перед учеными и конструкторами. К числу этих проблем относятся, например, торможение в диффузоре двигателя стремительно набегающего на него сверхзвукового потока воздуха, сгорание топлива, впрыскиваемого в несущийся с огромной, «сверхураганной» скоростью воздушный поток, регулирование двигателя и многие другие.

И все же главная слабость прямоточного двигателя не в этих проблемах — они хоть и сложны, но их можно решить, — а во взлете самолета.

Как бы ни старались ученые и инженеры, они не смогут заставить прямоточный двигатель осуществить взлет самолета: ведь этот двигатель способен развивать тягу только в полете с большой скоростью. Поэтому на самолете с прямоточным двигателем обязательно нужно иметь какой-нибудь другой двигатель; с его помощью самолет взлетит и наберет скорость, при которой уже целесообразна работа основного, прямоточного двигателя. Можно, конечно, как это иногда предлагается, установить самолет с прямоточным двигателем на другом, тяжелом самолете с двигателями иного типа, например турбореактивными. Этот второй самолет — «носитель» или «матка» — поднимет его в воздух. Только там, при большой скорости полета, будет запущен прямоточный двигатель, и вскоре «носитель» останется далеко позади.

Можно осуществлять взлет самолета и с катапульты. В этом случае он будет просто «выстрелен» в воздух. Правда, такой взлет скорее напоминает запуск управляемого снаряда. Кстати сказать, прямоточный двигатель, простой, дешевый, легкий и высокоэффективный при больших скоростях полета имеет широкие перспективы для применения на управляемых снарядах — этой военной беспилотной авиации разового использования. Уже сейчас некоторые управляемые самолеты-снаряды с прямоточным двигателем достигали скорости полета 3500 километров в час и более .

Но есть и еще один способ преодоления этой слабости прямоточного двигателя. Вы уже, вероятно, обратили внимание на большое принципиальное сходство прямоточного двигателя и форсажной камеры турбореактивного двигателя: рабочий процесс у них одинаков, да и конструктивное выполнение сходно. По существу, форсажная камера является прямоточным двигателем, установленным непосредственно за турбореактивным, так что турбореактивный двигатель с форсажной камерой представляет собой просто сочетание двигателей двух типов — турбореактивного и прямоточного. Так как в настоящее время скорости полета зще сравнительно малы, то прямоточный двигатель в этих условиях невыгоден и потому используется лишь для кратковременного форсажа, то есть как форсажная камера.

С ростом скорости полета положение изменяется: прямоточный двигатель становится все более выгодным, оттесняя даже основной, турбореактивный двигатель. Это позволяет использовать турбореактивный и прямоточный двигатели в различных комбинациях, в зависимости от режимов полета. На сравнительно малых скоростях работает один турбореактивный двигатель, а прямоточный выключен. На околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета, до 2000–3000 километров в час, работают оба двигателя, причем прямоточный может использоваться периодически как форсажная камера. Затем он начинает работать все время — вместе с турбореактивным. Наконец, при еще больших скоростях работает один прямоточный двигатель. Для этого воздух направляется в прямоточный двигатель, минуя турбореактивный. Подобные схемы не только предлагаются, но и разрабатываются. Возможно, они найдут широкое применение в будущем.

Принципиальное преимущество прямоточного двигателя перед турбореактивным в том, что из-за отсутствия турбины температура газов в прямоточном двигателе зависит только от возможностей топлива. Поэтому-то и скорость истечения, а вместе с ней и тяга оказываются значительно большими, чем у турбореактивных двигателей тех же размеров при одинаковой, достаточно большой, конечно, скорости полета. Ведь если максимальная температура газов в турбореактивном двигателе не превышает в настоящее время, как правило, 900–950°, то в прямоточном она может достигать 1500–1800° и более.

8* При движении самолета с большой скоростью на его поверхность действует не только избыточное давление там, где воздух тормозится, но и разрежение в тех местах, где воздух движется с очень большой скоростью. Вот так же при урагане стремительно мчащийся воздух создает разрежение над крышами домов и этим срывает крыши. Такое же разрежение приводит и к срыву обшивки быстролетящего самолета. Недаром обшивка крыла современных скоростных самолетов делается неизмеримо более толстой и прочной, чем на самолетах сравнительно не очень далекого прошлого.

9* Правда, само сжатие в компрессоре в результате скоростного напора несколько снижается. Так сказывается на работе компрессора повышение температуры входящего в него воздуха, — сжимать нагретый воздух труднее.

10* Конечно, такую тягу он разовьет только при полете у земли, в плотном воздухе. На больших высотах, где подобный высокоскоростной полет только и возможен, тяга будет несравненно меньше.

11* Например, снаряд «Бомарк», США (по журналу «Авиэйшн Уик», 10 ноября 1958 г., и др.).

Возможная силовая установка самолета, состоящая из турбореактивного (вверху) и прямоточного (внизу) двигателей. Показана и заслонка, направляющая воздух в один из двигателей.

Но все же, как и в турбореактивном двигателе, именно температура газов ограничивает возможности использования прямоточного двигателя, именно она ставит предел достигаемой с его помощью скорости полета. Чтобы понять это, достаточно вспомнить, что сжатие воздуха связано с его нагревом. Очевидно, будет нагреваться и воздух, поступающий в прямоточный двигатель в полете, ибо этот воздух тоже сильно сжимается. Но характер такого нагрева оказывается действительно неожиданным: при скорости полета, вдвое превосходящей скорость звука, температура воздуха, поступающего в двигатель, составит примерно 250°, а при пятикратном превышении ее около 1500°! Значит, в прямоточный двигатель будет втекать струя воздуха, раскаленного гораздо сильнее, чем газы, поступающие на лопатки турбореактивного двигателя!

Ясно, что стенки прямоточного двигателя не в состоянии выдержать такую температуру, даже если они будут изготовлены из очень высококачественного жаропрочного материала. Значит, чем больше скорость полета, тем ближе температура входящего в двигатель воздуха к максимально допустимой и тем меньше возможный подогрев воздуха за счет сжигания в нем топлива. Когда температура воздуха приближается к предельной, двигатель может развивать лишь ничтожную тягу: ведь чтобы тяга была большой, в двигателе должно ежесекундно сгорать много топлива.

Как показывают расчеты, применение прямоточного двигателя возможно лишь до скорости полета, примерно в 4–5 раз превышающей скорость звука, то есть до скорости около 6000 километров в час. Большие скорости уже недоступны для него.

Правда, наука ведет поиск и в этом направлении, пытаясь отодвинуть предельную скорость, при которой еще могут найти применение воздушно-реактивные двигатели. В последнее время такая возможность начинает вырисовываться, и, нужно признаться, она кажется на первый взгляд по меньшей мере неожиданной. Действительно, использовать воздушно-реактивный двигатель при еще больших, так называемых гиперзвуковых скоростях полета, например, 10 000 километров в час или даже больше, принципиально можно, но ценой отказа от… воздушно-реактивного двигателя!

Секрет этого парадокса прост: в двигатель превращается в этом случае… крыло самолета. На самом деле, известно, что на нижней поверхности крыла давление всегда относительно повышено. При гиперзвуковых скоростях полета давление и температура воздуха под крылом могут быть очень высокими, гораздо большими, например, чем в камере сгорания обычного прямоточного двигателя. Если впрыснуть в этот раскаленный и сжатый воздух топливо, то оно, естественно, воспламенится. Вот и основа идеи: непосредственно из крыла самолета через форсунку, расположенные в его обшивке, вниз под крыло брызжут струи топлива. Оно воспламеняется и горит, раскаленные газы отбрасываются назад так, что создают реактивную тягу, да, кстати, и подъемную силу, если нужно. Мало похоже такое «горящее крыло», интенсивно исследуемое в настоящее время за рубежом , на обычный прямоточный двигатель, но тем не менее это такой же полноправный двигатель, как и все другие. Таковы законы развития авиационной реактивной техники — двигатель все полнее сливается с самим самолетом, разделить их более нельзя.

Но и для подобных силовых установок существует предельно возможная скорость полета, связанная с температурными ограничениями. Еще большие скорости уже недоступны для воздушно-реактивных двигателей. Это — удел двигателей, не использующих атмосферный воздух, двигателей, способных работать на любых, самых больших высотах и вне атмосферы, в мировом пространстве.

Это — ракетные двигатели и прежде всего изобретенный К. Э. Циолковским жидкостный ракетный двигатель.

12* Об этом сообщает, например, журнал «Спейскрафт», сентябрь 1963 г., и др.

 

Глава IV. Двигатель-рекордист

В этой главе рассказывается об изобретенном Циолковским жидкостном ракетном двигателе, об одержанных им замечательных победах, о его необычайной «прожорливости» и роли в авиации будущего.

Чтобы двигатель не нуждался в окружающем нас воздухе, сгорание топлива в нем должно происходить без атмосферного кислорода. Известны многие примеры подобного сгорания. Вот взлетела пороховая ракета, оставляющая за собой длинный дымовой след. Порох сгорает, как известно, без воздуха, он может гореть и в абсолютном вакууме, и под водой. Плесните крепкой азотной кислотой на пролитый анилин — произойдет воспламенение, в котором воздух также не принимает никакого участия.

Особенно интересен для нас последний пример, когда одна жидкость горит в другой. Это явление и лежит в основе работы жидкостного ракетного двигателя. Одна из жидкостей — горючее: например бензин, керосин, спирт. Другая жидкость — окислитель: азотная кислота, жидкий кислород и др. Химическая реакция между горючим и окислителем приводит к бурному газообразованию с выделением большого количества тепла. Когда такая реакция происходит в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя при давлении в десятки атмосфер и температуре, доходящей до 3000 и более градусов, то через сопло вытекают раскаленные газы со скоростью 2,5–3 километра в секунду. Сила реакции вытекающих из двигателя газов, то есть реактивная тяга жидкостного ракетного двигателя, оказывается достаточной для полета со скоростью, недостижимой для двигателей любого другого типа.

Это объясняется тем, что жидкостный ракетный двигатель обладает рекордно малым удельным весом, то есть весом, приходящимся на килограмм тяги. С полным правом и его можно назвать «летающей топкой» — настолько он прост. Создание жидкостных ракетных двигателей большой тяги не представляет особых трудностей. Уже сейчас есть такие двигатели для дальних тяжелых ракет с тягой в несколько десятков и даже сотен тонн, развивающие при скорости полета 6–7 километров в секунду мощность во много миллионов лошадиных сил!

Неудивительно, что с помощью малогабаритных и мощных жидкостных ракетных двигателей, способных работать на самых больших высотах, в последнее время удалось достигнуть рекордных скоростей и высот полета самолетов. Такой же двигатель был установлен и на самолете, впервые превысившем скорость звука в горизонтальном полете.

По данным зарубежной печати, экспериментальный исследовательский самолет США, получивший обозначение «Х-15» и снабженный жидкостным ракетным двигателем тягой 25 850 килограммов, в 1962 году развил скорость 6693 километра в час и достиг максимальной высоты 95 936 метров . Эти результаты можно считать в настоящее время рекордными для самолета с человеком. В частности, они официально зарегистрированы Международной авиационной федерацией в качестве таких рекордов . Однако следует подчеркнуть, что абсолютные мировые рекорды скорости и высоты полета на самолете, зарегистрированные той же Федерацией, установлены советским летчиком Г. К. Мосоловым в 1962 году на самолете с турбореактивным двигателем. В одном полете он достиг скорости 2681 километр в час, в другом — высоты 34 714 метров. При выполнении рекордного скоростного полета в отдельных заходах скорость превышала 3000 километров в час.

Регистрация сразу двух различных рекордов и существенная разница в достигнутых значениях высоты и скорости полета объясняется просто. Самолет «Х-15» совершал свои полеты не самостоятельно, а с помощью другого самолета, заносившего его на большую высоту. Только там на этой высоте самолет «Х-15» отделялся от самолета- носителя и переходил на самостоятельный полет. О том, как осуществляются подобные полеты, будет подробнее рассказано в конце этой главы.

Впереди — еще более высокие достижения ракетных самолетов. Об их возможности свидетельствуют полеты беспилотных летательных аппаратов с жидкостными ракетными двигателями — дальних и высотных ракет, управляемых снарядов и, в особенности, космических ракет. В этих полетах уже достигнуты значительно большие высоты и скорости полета.

Правда, это достижения беспилотной авиации и ракетной техники. При полете человека возникают новые трудности: должна быть предусмотрена герметическая кабина для летчика, величина ускорений ограничивается допустимыми для человека инерционными перегрузками, ракета должна быть крылатой и др. Но эти трудности не принципиальны, и нет сомнений, что полет самолета с человеком со скоростью, во много раз превышающей скорость звука, на высотах в сотни километров — дело очень недалекого будущего. Разве об этом не свидетельствуют со всей убедительностью замечательные полеты советских летчиков-космонавтов Ю. Гагарина, Г. Титова, А. Николаева, П. Поповича, В. Быковского и В. Николаевой-Терешковой на кораблях-спутниках «Восток»? Ведь в этих полетах была достигнута скорость порядка 28 000 километров в час, а высота более 300 километров.

Понятно, что подобные скорости полета только и возможны в космосе, вне пределов земной атмосферы с ее коварным «тепловым барьером». Конечно, корабль-спутник «Восток» не похож на привычный самолет и, в частности, не имеет крыльев и шасси; в нем иначе устроена герметическая кабина с ее системой регенерации воздуха и т. д. Однако это не меняет дела — полет человека с космической скоростью, о чем столько мечтали люди, уже совершен. Нет сомнений, что в будущем с подобными скоростями будут летать и пассажирские ракетопланы.

13* Огромная мощность при малом весе достигается в этих двигателях, конечно, нелегко — срок их жизни, или ресурс, оказывается очень ограниченным. Это — общий закон: за увеличение мощности и уменьшение веса приходится расплачиваться долговечностью.

14* Об этом сообщают журналы «Флюгвельт» (январь 1963 г.) и др.

15* Эта Федерация установила, что до высоты 100 километров все рекорды считаются авиационными, а выше — космическими. Поэтому высота полета более 107 километров, достигнутая самолетом «Х-15» в 1963 г. (об этом сообщено в журнале «Флайт» в январе 1964 г., и др.), является уже «космической».

Одна из первых в мире установок жидкостного ракетного двигателя на отечественном самолете (1943 г.).

Однако и у жидкостного ракетного двигателя есть недостаток — он чрезвычайно неэкономичен при сравнительно небольших скоростях полета, близких к скорости звука. В этих условиях он расходует в 10–15 раз больше топлива на килограмм тяги, чем турбореактивные двигатели. Поэтому продолжительность полета самолета с жидкостным ракетным двигателем (когда он работает на полной тяге) не может превысить обычно 4–5 минут: за эти считанные минуты двигатель полностью расходует те несколько тонн топлива, которые можно разместить в самолете. Этим и объясняется, почему до сих пор жидкостные ракетные двигатели нашли весьма ограниченное применение в военной авиации. Они устанавливаются лишь на истребителях обороны или так называемых истребителях-перехватчиках, предназначенных для борьбы с бомбардировщиками. Только в этих случаях превосходство в скорости и высоте полета компенсирует крайне малую продолжительность полета. Используя полет с выключенным двигателем, можно увеличить эту продолжительность до десятков минут.

Более широкое применение на военных самолетах жидкостные ракетные двигатели получили в качестве вспомогательной силовой установки к турбореактивному или прямоточному двигателю. В этом случае жидкостный ракетный двигатель включается лишь на короткие промежутки времени — для ускорения взлета и набора высоты, в воздушном бою и т. д., что не связано со столь значительным перерасходом топлива. Особенно ценной оказывается эта «помощь» на больших высотах. Известно ведь, что тяга турбореактивного двигателя быстро уменьшается с высотой. Поэтому жидкостный ракетный двигатель, имеющий на земле вдвое, а иногда и втрое меньшую тягу, чем турбореактивный, на большой высоте разовьет уже в несколько раз большую тягу, так как она останется у него неизменной (иди даже несколько возрастет), а тяга турбореактивного двигателя катастрофически упадет вместе с плотностью воздуха.

Очень важным оказывается иногда и то, что тяга ракетного двигателя не зависит от скорости полета. Ведь когда скорость уменьшается, тяга любого воздушно-реактивного двигателя обычно тоже падает, отчего самолет теряет маневренность. Установка турбореактивного двигателя совместно с ракетным, как это сделано на некоторых новейших истребителях, значительно повышает маневренность самолета, столь важную в военной авиации.

Для облегчения взлета и набора высоты вспомогательные жидкостные ракетные двигатели применяются и на тяжелых самолетах — бомбардировщиках, транспортных.

Но, как это ни парадоксально, тот же ракетный двигатель, способный работать на полной мощности считанные минуты, может обеспечить сверхдальний полет самолета подобно тому, как это случилось с космическими кораблями «Восток». Правда, такой самолет будет необычным. Необычным будет и его полет, напоминающий скорее полет ракеты.

Действительно, двигатель самолета будет работать только в самом начале полета, как двигатель ракеты на активном участке ее траектории. Потом, когда топливо будет выработано, самолет полетит, как снаряд. Оттого и полет этот, для которого крылья не нужны, называется баллистическим, как в артиллерии.

За короткое время летящий с огромной скоростью самолет заберется на высоту в сотни, а может, и тысячи километров — все зависит от полученной скорости. Оттуда, израсходовав кинетическую энергию, самолет станет падать на землю. Как видно, и здесь крылья все еще не нужны. Они могут и вовсе не понадобиться, если на самолете будет оставлен достаточный запас топлива и предусмотрен специальный двигатель для торможения, как это и было на кораблях «Восток». Иначе ведь самолет разрушится — расплавится, испарится из-за нагрева в плотной атмосфере.

Но можно попытаться обойтись и без специального двигателя и запасного топлива. Вот тут-то уже понадобятся крылья! С их помощью вслед за коротким и стремительным баллистическим прыжком в сотни и тысячи километров — прыжком в космос — самолет сможет совершить планирующий полет в плотном воздухе нижних слоев атмосферы.

Заманчивая идея! Правда, осуществить ее куда труднее, чем предложить. Трудности, которые придется преодолеть, под стать размаху самой идеи. Вряд ли мы ошибемся, если предскажем не только экспериментальные, но и регулярные линейные полеты таких пассажирских самолетов через материки и океаны в авиации завтрашнего дня .

Большую службу несут жидкостные ракетные двигатели для исследования сверхзвукового полета. В авиации, как и р других отраслях техники, должны быть свои «разведчики», первыми проникающие в еще не исследованные, неизвестные области. Только их роль здесь, пожалуй, более ответственна и сложна. Вот такими «разведчиками» и являются экспериментальные, исследовательские самолеты с жидкостными ракетными двигателями.

Однако необычайная «прожорливость» этих двигателей осложняет их использование и на исследовательских самолетах. Дело в том, что полет с большой, сверхзвуковой скоростью возможен лишь на высотах 15–20 и более километров. Это объясняется двумя причинами. При полете на меньших высотах, в плотном воздухе, сопротивление, которое оказывает атмосфера летящему самолету, становится чрезмерным, что и требует очень мощных двигателей. С другой стороны — и это по крайней мере так же, если не более важно, — подобный полет — связан с опасностью чрезмерного перегрева самолета в результате так называемого аэродинамического нагрева. Но как забраться на необходимую высоту? Ведь даже при исключительно большой скороподъемности самолетов с жидкостными ракетными двигателями они могут достигнуть нужной высоты, лишь израсходовав все имеющееся топливо!

Часто эта задача решается так, что жидкостный ракетный двигатель исследовательского самолета освобождается от обязанности поднимать самолет на «рабочую» высоту. Эта «черновая» работа возлагается на другой самолет, выполняющий в данном случае роль своеобразного сверхвысотного лифта. Исследовательский самолет устанавливается на тяжелом самолете-носителе — либо «на хребте», сверху, либо снизу, в бомбовом люке, — и освобождается от него уже только на большой высоте, где запускается жидкостный ракетный двигатель. Рекордные результаты по высоте и скорости полета, достигнутые самолетом «Х-15», о которых упоминалось выше, получены именно таким образом.

16* Подробнее об этом см. в главе XI.

* * *

Так были одержаны первые победы над скоростью звука. Теперь уже можно с уверенностью ждать все более стремительного продвижения вперед, ко все большим скоростям полета. Используя военную терминологию, можно сказать, что реактивная авиация прорвала укрепленную полосу — «звуковой барьер» — и вышла на оперативный простор сверхзвуковых скоростей полета.

Эта аналогия глубже, чем может казаться. После того как «звуковой барьер» преодолен, дальнейшая борьба за скорость значительно облегчается и, можно думать, будет развиваться гораздо успешнее* Пока шел штурм «звукового барьера», даже незначительное увеличение скорости полета требовало существенного повышения тяги двигателя. Это был тяжелый штурм, трудное восхождение на почти отвесную вершину. Но вот «барьер» взят — и теперь даже сравнительно небольшое увеличение тяги сразу сказывается в значительном увеличении скорости полета. Сейчас идет увлекательная борьба за скорости в 2–3 тысячи и более километров в час.

Вот что значит выйти на простор сверхзвуковых скоростей полета!

 

Глава V. Двигатели-гибриды

Эта глава знакомит читателя с некоторыми новыми двигателями, представляющими разнообразные сочетания уже известных двигателей и обладающими замечательными свойствами, что позволяет думать об их почетном месте в авиации будущего.

Времена, когда единственным типом авиационного двигателя был поршневой, кажутся теперь младенческими годами авиации. Как взрослый человек иногда с сожалением вспоминает о своем детстве, когда не было никаких забот, пришедших вместе со зрелостью, так с некоторой грустью обращаются к этим временам иной раз конструкторы современных самолетов. Тогда не было нужды, как сейчас, выбирать из различных типов двигателей наиболее подходящий. А ведь двигатель каждого типа обладает своими особенностями, своими достоинствами и недостатками — как определить, какой из них лучший для проектируемого самолета?

Кроме того, тогда конструктор двигателя и конструктор самолета работали врозь, каждый сам по себе. Сделали новый двигатель — берите, ставьте на самолет. Теперь дело обстоит иначе. Новые, реактивные двигатели по самому характеру своей работы оказываются органически связанными с конструкцией самолета, на котором они установлены. И с каждым днем эта взаимозависимость усиливается.

Теперь, как правило, новый двигатель проектируется сразу под определенный самолет, а самолет — под двигатель. Да и как иначе, если иной раз обшивка самолета служит корпусом двигателя, а «носок» фюзеляжа — передней частью воздухозаборника!

Вот почему в нынешнее время ошибка в выборе двигателя и его увязке с самолетом оказывается подчас неисправимой. И самолет — результат большой, многолетней работы целого коллектива — устаревает, как говорят, на острие карандаша конструктора.

Неудивительно, что выбору наиболее подходящих двигателей, анализу наиболее выгодных областей их применения уделяется такое большое внимание. На эту тему написано немало научных работ, опубликовано немало статей. И все же, к сожалению, далеко не всегда удается получить определенное и четкое решение. Да, выбрать наиболее подходящий двигатель очень нелегко. И не только потому, что существует много различных конструкций. Чаще всего нельзя просто сказать — вот этот двигатель лучше. Этот оказывается лучшим в одних условиях полета, на одном режиме, а тот — на другом; один лучше по одним показателям, а другой — по другим. Но ведь устанавливать-то придется все-таки один!..

Впрочем, почему один? Может быть, есть смысл установить сразу два или даже три? Этот путь, действительно, используется.

Существует немало самолетов с комбинированными силовыми установками. На одном вместе с турбореактивным двигателем установлен прямоточный, на другом с прямоточным — ракетный и т. д.

Но так ли уж это хорошо? Ведь когда работает один из двигателей, другой становится «мертвым» грузом. К тому же иной раз установленные на самолете двигатели работают на различных топливах, что сильно усложняет дело.

Вот если бы удалось сконструировать двигатель, который сочетал в себе достоинства двух, а может быть, и трех разных двигателей, не обладая в то же время их недостатками! Умеют же мичуринцы создавать новые сорта растений и породы животных, совмещая в них лучшие качества исходных форм? Неужели нельзя воспользоваться этим плодотворным методом и в нашем случае? Ведь, наверное, создать «двигатели-гибриды» проще, чем гибриды живые!

По этому пути начинают идти конструкторы. Правда, пока идут они еще робко, на ощупь, но, можно думать, впереди их ждут большие творческие удачи. И, значит, авиация сделает еще один шаг вперед.

По-разному можно представить себе двигатели-гибриды. Вот, например, один из них (кстати сказать, не только нашедший практическое применение в авиации, но и сделавший это с большим успехом) — знакомый уже нам турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ведь форсажная камера — по существу, прямоточный двигатель). Правда, такой гибрид как бы составлен из двух разных двигателей. Спереди — турбореактивный, сзади — прямоточный. Какой-нибудь гибрид яблока, полученный по этому методу, с одного бока был бы, допустим, бумажным ранетом, с другого — антоновкой, а у грейпфрута одна половина была бы лимоном, а другая — апельсином. Не очень, как видно, совершенный метод гибридизации! Но даже такой, «упрощенный» гибрид двух двигателей оказался замечательным. Ведь именно он позволил впервые преодолеть «звуковой барьер», превысить скорость звука в горизонтальном полете.

Еще один двигатель-гибрид, тоже уже нашедший широкое применение в авиации, представляет собой как бы сочетание турбореактивного и турбовинтового двигателей. Если в турбореактивном двигателе вся тяга создается реактивной струей газов, а в турбовинтовом почти вся тяга — винтом (на долю струи в нем приходится очень небольшая часть тяги), то в их гибриде тяга распределяется примерно поровну между винтом и струей. Неудивительно, что и по своим свойствам гибрид оказывается промежуточным между обоими исходными двигателями.

Чтобы получить такой гибрид, обычный турбореактивный двигатель как бы помещают внутрь канала, в котором вращается многолопастный воздушный винт небольшого диаметра или даже несколько таких винтов, установленных один за другим. Подобный винт правильнее назвать, пожалуй, высоконапорным вентилятором. Этот вентилятор приводится во вращение турбиной турбореактивного двигателя — обычно для этого за турбиной устанавливается еще одно специальное турбинное колесо. Холодный воздух, отбрасываемый назад вентилятором, создает реактивную тягу так же, как и горячая струя выхлопных газов двигателя.

Такие двигатели получили название турбовентиляторных, или двухконтурных. Легко видеть, о каких двух контурах тут идет речь, — это тракты, или каналы, по которым текут горячие газы и холодный воздух. Подобные гибридные двигатели обладают значительными преимуществами при больших дозвуковых скоростях полета, в этих случаях они расходуют меньше топлива, чем турбореактивные и турбовинтовые. А ведь эта область скоростей полета очень важна, с такими скоростями летают современные реактивные пассажирские самолеты. Поэтому турбовентиляторные двигатели и пользуются ныне большим успехом, в особенности в гражданской авиации. Они устанавливаются на ряде новых реактивных лайнеров, в частности, на отечественных самолетах «ТУ-124», летающих на трассах Аэрофлота.

Но уже созданные двигатели-гибриды далеко не исчерпывают всех имеющихся возможностей. Новые, более совершенные гибриды позволят шагнуть еще дальше по пути развития авиации.

Предложены различные конструкции двигателей-гибридов, которым, может быть, суждено стать двигателями авиации завтрашнего дня.

Первым таким двигателем может быть назван турбопрямоточный. Он представляет собой сочетание турбореактивного и прямоточного двигателей. Но ведь мы уже знаем такой гибрид — это турбореактивный двигатель с форсажной камерой. Правда, подобное сочетание, как было отмечено, носит несколько «кустарный» характер. А ведь можно органически слить оба двигателя! Так это и сделано в турбопрямоточном двигателе. В нем турбореактивный двигатель расположен в центральном теле сверхзвукового прямоточного двигателя, для которого такое тело необходимо. По существу, выходит, что турбопрямоточный двигатель представляет собой турбореактивный, помещенный в окружающий его воздушный канал…

Мы уже знаем, что в турбореактивном двигателе газы, поступающие на лопатки турбины, приходится сильно охлаждать с помощью свежего воздуха. Но от этого катастрофически снижается тяга, без которой невозможен сверхскоростной полет.

Двигатели-гибриды.

А нельзя ли сделать так, чтобы газы, выходящие из камеры сгорания, служили только для создания тяги и вытекали бы с большой скоростью из двигателя, минуя турбину? При этом не будет необходимости охлаждать их, скорость истечения намного повысится — следовательно, увеличится и драгоценная тяга двигателя. Но что же тогда будет с турбиной? Как заставить ее вращаться и развивать мощность, нужную для компрессора двигателя? Ведь эта мощность поистине огромна: в некоторых двигателях она превосходит 50 тысяч лошадиных сил!

Но, может быть, такие газы для вращения турбины можно получить с помощью ракетного двигателя, не нуждающегося, как известно, в атмосферном воздухе? Установить для этого простой и легкий жидкостный ракетный двигатель перед турбиной, подобрать топливо так, чтобы продукты сгорания имели как раз ту температуру, которая нужна для турбины, — и задача решена.

Такой двигатель, названный турборакетным, будет обладать рядом достоинств своих «родителей» — турбореактивного и ракетного. В частности, мощность его турбины не снижается с высотой, как у турбореактивного двигателя, то есть он становится высотным, как и ракетный. Турборакетный двигатель окажется очень эффективным для скоростных самолетов.

И, наконец, последний пример.

Хорошо известна основная слабость прямоточного двигателя. Несравненный по своим качествам при полете с большими сверхзвуковыми скоростями, он оказывается совершенно беспомощным при взлете и малых скоростях полета. Самолет с прямоточным двигателем должен иметь еще один двигатель — для взлета. Обычно для этой цели устанавливается либо турбореактивный, либо ракетный двигатель.

Но, может быть, создание нового двигателя, сочетающего в себе свойства прямоточного и ракетного, позволило бы достигнуть лучших результатов? Так родилась идея еще одного двигателя-гибрида — ракетно-прямоточного. В этом двигателе, похожем на обычный сверхзвуковой прямоточный, в центральном теле установлен жидкостный ракетный двигатель. Ракетный двигатель работает на взлете и на очень больших высотах, где тяга прямоточного двигателя из-за малой плотности атмосферного воздуха очень низка. Но на ряде режимов работают оба двигателя. При этом показатели у «гибрида» лучше, чем у исходных двигателей в отдельности. Ракетно-прямоточный двигатель может быть использован для самолетов с очень большой скоростью и высотой полета.

Конечно, кроме перечисленных, есть и другие двигатели-гибриды. Но еще больше существует возможностей для их создания. Кто знает, какой из них станет двигателем будущего…

 

Глава VI. «Экзотические» топлива и «экзотические» двигатели

Из этой главы читатель узнает о новых топливах для авиационных двигателей и о новых, необычных двигателях со столь же необычными свойствами.

Реактивная техника уже предоставила в распоряжение авиации двигатели различного типа. Некоторые из них способны развивать те огромные тяги, без которых невозможен сверхзвуковой полет со всевозрастающей скоростью.

Большая тяга — главное требование к современному авиационному двигателю. Главное, но не единственное. На самом деле, нужен ли, допустим, авиационный двигатель, развивающий колоссальную тягу и поэтому способный за короткое время разогнать самолет до большой скорости, но поглощающий за это же короткое время все топливо, запасенное на самолете? Расчеты и опыт показывают, правда, что и с помощью такого двигателя можно совершить дальний полет . Поэтому не должна быть исключена вероятность использования и такого полета, при котором двигатель работает лишь короткое время, а затем самолет совершает на огромных высотах баллистический полет с возможным последующим планированием в нижних слоях атмосферы. Однако это потребовало бы полной перестройки авиационной техники, а в пассажирской авиации, например, где значительные инерционные перегрузки недопустимы, вызвало бы серьезные трудности.

Поэтому авиацию больше интересует двигатель, не просто позволяющий достигнуть огромных скоростей полета, но и обеспечивающий достаточную длительность такого сверхскоростного полета.

Но как уменьшить необычайную прожорливость реактивных двигателей?

Двигатели для сверхскоростного полета развивают колоссальную тягу, чтобы преодолеть сопротивление воздуха. Понятно, что увеличенная тяга означает и увеличенное потребление топлива. В самом деле, если допустить, что турбореактивный двигатель расходует килограмм топлива в час на каждый килограмм развиваемой им тяги, то при тяге 1000 килограммов он будет расходовать тонну топлива за час полета, а при тяге 50 тысяч килограммов, очевидно, 50 тонн в час.

Сократить расход топлива можно двумя путями: уменьшив величину тяги, необходимой для совершения полета с данной скоростью, и уменьшив часовой расход топлива на каждый килограмм тяги (его называют удельным расходом).

Само собой разумеется, что уменьшение тяги, необходимой для совершения полета, зависит и от двигателя — чем меньше его вес и размеры, тем меньшим будет сопротивление самолета. Это делает ясным главное направление развития современных двигателей — они должны иметь малый вес и малый «лоб», то есть малую лобовую поверхность. Основная задача здесь решается конструктором самолета — аэродинамические качества его машины должны быть высокосовершенными. Однако этим путем значительного снижения тяги, потребной для полета, не получить.

Желанной цели можно достигнуть, только увеличивая высоту полета. На высоте 25–30 и более километров плотность воздуха так мала, что и аэродинамическое сопротивление, пропорциональное этой плотности, тоже становится очень малым. Но, значит, настолько же уменьшается и потребная тяга двигателя. Вот почему скоростная авиация сегодняшнего, а тем более завтрашнего дня, — это авиация высотная. Чем выше — тем быстрее.

Однако ведь далеко не всегда целесообразен полет на больших высотах. А кроме того, сам набор высоты, происходящий на меньшей скорости, требует затраты значительного количества топлива. Поэтому было бы целесообразно создать такой двигатель, который развивал бы тягу, потребную для полета на сравнительно малых высотах со скоростью, © 2–3 раза превосходящей скорость звука, и расходовал мало топлива.

17* См. главу IV «Двигатель-рекордист».

Аэродинамические свойства реактивных самолетов должны быть высокосовершенными (двухдвигательный военный самолет конструкции А. С. Яковлева).

Для решения этой задачи остается, очевидно, один путь — повышение экономичности двигателей, уменьшение удельного расхода топлива. Как хорошо было бы, например, если бы двигатели сверхзвукового полета будущего расходовали раза в два меньше топлива на килограмм тяги, чем современные турбореактивные двигатели, то есть примерно по 0,5 килограмма в час! Но, увы, в действительности, как мы знаем, дело обстоит как раз наоборот: по мере роста скорости полета удельный расход топлива не только не снижается, а наоборот, сильно возрастает. Значит, и этот путь не приводит к цели.

Где же выход? Или задача вообще неразрешима?

Решая ее, авиационная наука и техника ищут новые, более совершенные топлива. Понятно, что от вида топлива зависит очень многое. Если топливо содержит больше энергии, выделяющейся при сгорании в двигателе, то, очевидно, и тяга двигателя будет больше. Но важна не только эта полезная энергия, или, как говорят, теплотворность — калорийность — топлива. Теория и опыт подсказывают, что для увеличения скорости истечения газов из двигателя и, соответственно, его тяги молекулярный вес продуктов сгорания должен быть возможно меньшим .

Какие же возможности улучшения топлив указывает химия?

Авиация всегда работала и работает на углеводородных топливах, получаемых из нефти. В век авиации поршневой это был бензин, теперь — главным образом керосин. А можно ли из нефти получить лучшие топлива?

Следует прямо сказать, что радикального улучшения топлива этим путем добиться нельзя. Чтобы решить задачу, нужно основательно «перетряхнуть» всю периодическую систему элементов Менделеева. Наиболее подходящими могут оказаться топлива на базе совершенно необычных, на первый взгляд, химических элементов. Вот такие-то «экзотические» топлива и исследуются в настоящее время.

Первые результаты оказываются довольно обнадеживающими. Некоторые из наиболее перспективных топлив будущего позволят существенно увеличить продолжительность и, следовательно, дальность полета. Кстати сказать, некоторые из таких «экзотоплив» значительно улучшают также сгорание на большой высоте. Понятно, что для успешного применения этих топлив придется решить немало задач, например удешевить их производство, устранить ядовитость некоторых из них, коррозийное воздействие на металлы других и т. д. Но можно не сомневаться, что в авиации завтрашнего дня «экзотоплива» займут почетное место.

Особенно интересны среди них так называемые свободные радикалы. Это — электрически нейтральные частицы, обломки молекул, обладающие большой химической энергией, которая выделяется при воссоединении их снова в молекулы. Радикалами являются и атомы элементов, обычно существующих в виде молекул, например атомы водорода, кислорода, азота. Когда молекула водорода расщепляется на атомы, то на это затрачивается большая энергия, чаще всего — электрическая (такое расщепление осуществляется обычно в электрическом разряде). Стоит атомам снова образовать молекулу водорода, как та же энергия выделяется уже в виде тепла. Если подобное воссоединение (или, как говорят, рекомбинация) молекул произойдет в камере сгорания двигателя, то из него наружу через сопло будет вытекать струя водорода с огромной скоростью, в несколько раз большей, чем у обычных топлив.

Но увы, использовать это «экзотопливо» очень непросто. Все радикалы обычно так стремительно рекомбинируют, что их сохранение в «нетленном» виде практически невозможно. Только в самое последнее время появились основанные на ряде удачных опытов надежды, что удастся сохранять свободные радикалы, в том числе и атомы водорода, замораживая их почти до абсолютного нуля.

Практически это, конечно, осуществить трудно, но возможно. А это главное. Можно думать, что свободные радикалы, в частности атомарные топлива, займут почетное место среди «экзотоплив» будущего.

Однако и эти топлива не решают все же задачи увеличения продолжительности полета. А между тем современная наука и техника знают, как решить эту проблему. Знают, потому что известно и уже применяется топливо, теплотворность которого не просто больше, чем у современных топлив, но больше в миллионы раз. Ну, конечно, речь идет о ядерном горючем, об атомной энергии!

Атомный двигатель в авиации смог бы произвести настоящую революцию, вторую после появления реактивных двигателей. Возможности авиации выросли бы неизмеримо. Самое главное, стал бы возможным сколь угодно длительный сверхзвуковой полет, тогда как сейчас в авйации существует своеобразное «золотое правило рычага». Оно гласит, что чем быстрее осуществляется полет, тем менее продолжительным он является.

Атомный двигатель снимет это ограничение, выведя авиацию из того заколдованного круга, в котором она находится. Неудивительно, что работа над созданием атомного авиационного двигателя так настойчиво ведется в ряде стран. Нет сомнений, что он будет создан и займет подобающее ему место в авиации завтрашнего дня.

Как же может выглядеть атомный авиационный двигатель?

Пожалуй, прежде всего напрашивается устройство атомного реактивного двигателя, получившего название «псевдоракеты». Действительно, что могло бы быть проще атомного двигателя, из которого наружу вытекали бы осколки ядер, образующиеся при распаде ядерного горючего — урана или плутония! «Псевдоракетным» он называется потому, что в действительности такой двигатель создать нельзя. Этому препятствует ряд трудностей, но решающей является одна: «псевдоракета» сколько-нибудь значительной тяги могла бы существовать лишь ничтожные доли секунды, так как она практически мгновенно… испарилась бы. Это легко объяснимо: чтобы тяга была большой, из двигателя должно вытекать наружу каждую секунду много продуктов атомного распада. Но ведь один грамм ядерного горючего соответствует почти двум тоннам керосина или бензина. Значит, в таком двигателе выделялось бы огромное количество тепла, соответствующее сгоранию колоссальных количеств бензина. Неудивительно,’ что двигатель испарится.

Выходит, что «псевдоракета» может существовать лишь при очень малых тягах. Но нужен ли такой двигатель? В условиях атмосферы, конечно, не нужен — он не сможет обеспечить полет самолета.

Другое дело — на огромных высотах, где воздуха нет, а еще лучше — на таких расстояниях от Земли, где ее притяжение уже почти не сказывается. Вот в таких условиях и длительная малая тяга может оказаться полезной. Что же, в астронавтике и этот случай может иметь место.

Авиацию же может заинтересовать только атомный двигатель большой тяги и мощности. Такие двигатели тоже могут быть созданы. Но в этом случае атомная энергия должна быть неизбежно превращена сначала в энергию тепловую, а уж это тепло будет нагревать рабочее тело двигателя. Так что атомный реактор (или атомный котел, как его еще называют) просто займет место камеры сгорания обычного двигателя. По такой схеме могут быть созданы атомные двигатели турбореактивные, турбовинтовые, прямоточные и другие. Некоторые из этих двигателей, вероятнее всего вначале турбовинтовые, а может быть и турбореактивные, и будут созданы в первую очередь. Над их созданием трудятся многочисленные конструкторские коллективы в разных странах. Например, по данным иностранной печати, в США уже работал первый атомный турбореактивный двигатель и уже летал первый самолет с атомным реактором на борту. Как видно, не за горами и день первого полета первого атомного самолета.

Конечно, подобный самолет будет обладать не одними только достоинствами. Так в технике не бывает. И недостатки атомного самолета будут нешуточными. Главные из них связаны с опасным для человека радиоактивным излучением работающего реактора. Специальная «биологическая» защита от этого излучения в виде экранов и оболочек из разных материалов должна весить десятки тонн. Поэтому атомный самолет должен быть огромной машиной весом не менее 100–150 тонн. Но ведь подобным взлетным весом самолета авиацию уже не удивишь!

Особенно страшной оказывается угроза аварии атомного самолета при посадке. Вредные радиоактивные вещества, накапливающиеся в реакторе при его работе, могут в этом случае рассеяться по большой площади, сделав ее неприступной для людей. Такая катастрофа будет напоминать последствия от взрыва атомной бомбы. Вот почему вряд ли атомные самолеты найдут применение в гражданской авиации, по крайней мере первое время, пока не будет устранена эта ужасная опасность .

Конечно, термоядерный двигатель, если б удалось его создать, имел бы замечательные перспективы применения в авиации. В нем, как известно, должен был бы происходить не цепной процесс распада атома урана или плутония, а процесс синтеза, слияния атомов водорода или его тяжелых изотопов — дейтерия и трития — с образованием атомов гелия или лития. Мало того что при таком процессе выделяется раз в 7-10 больше атомной энергии, чем при распаде атомов. Термоядерный авиационный двигатель мог бы обладать и другими замечательными преимуществами…

Мог бы… Но в настоящее время неясно даже принципиально, можно ли осуществить управляемую термоядерную реакцию, приручить «водородного зверя», как в свое время был приручен «зверь атомный». Ведь в водородной бомбе сначала происходит взрыв обычной атомной бомбы, а потом уже начинает идти термоядерный процесс. Без этого «атомного запала» ничего не выходит — нужны такие температуры и давления, которые только в атомном взрыве и существуют. Не взрывать же атомную бомбу в термоядерном двигателе!..

Но действительно ли только при атомном взрыве существуют необходимые для «поджигания» термоядерной реакции температуры в миллионы градусов?

Исследования в области осуществления управляемых термоядерных реакций, настойчиво ведущиеся в последние годы советскими и зарубежными учеными, позволяют уже сейчас уверенно дать отрицательный ответ на этот решающий вопрос. В проведенных многочисленных опытах удавалось путем совместного воздействия электрического разряда и магнитного поля на разреженный газ превращать этот газ в так называемую плазму с температурой во многие миллионы градусов. И при этом (настоящее чудо!) стенки сосуда с газом вовсе не испарялись — раскаленный плазменный шнур отжимался от них в центр сосуда.

В 1963 году советским ученым удалось в большой степени справиться и с главной трудностью, которая возникает при подобных опытах, — феноменальной неустойчивостью плазменного шнура. Обычно полученную с таким трудом плазму удавалось удерживать вдали от стенок сосуда не более стотысячных долей секунды. Использование магнитной «бутыли» особой формы позволило группе советских ученых во главе с академиком Л. А. Арцимовичем удерживать плазму с температурой 40 миллионов градусов в течение сотых долей секунды . Решающий успех!

Открывают ли эти опыты путь к созданию термоядерного двигателя? Пожалуй, теперь уже можно с уверенностью сказать, что да. И все-таки это только самое начало. Впереди труднейшие препятствия. Мы еще не знаем точно, будет ли термоядерный двигатель установлен на самолетах. Но мы твердо верим в могучую силу науки.

Исчерпывается ли атомными двигателями семейство «экзотических» авиационных двигателей? Вовсе нет. Так, в последнее время стал особенно повышаться интерес к «экзотическим» двигателям другого типа — так называемым электрическим ракетным двигателям. Несмотря на свою молодость, эти двигатели привлекают к себе большое внимание ученых; уже существует много разновидностей подобных двигателей.

Одним из важнейших типов электрических ракетных двигателей являются так называемые ионные двигатели. Главное принципиальное отличие ионных, как, впрочем, и других электрических ракетных двигателей, от обычных заключается в том, что в них совсем по-иному осуществляется истечение рабочего вещества из двигателя. Если из обычных ракетных двигателей газы вытекают наружу, потому что внутри них создается давление намного большее, чем в окружающей атмосфере, то в ионных двигателях такого повышенного давления нет.

Какие же силы заставляют в этом случае частицы газа в реактивной струе с большой скоростью вытекать из двигателя наружу? Зти силы — электрические.

Хорошо известно из курса физики, что одинаково заряженные электрические частицы отталкиваются друг от друга, а противоположно заряженные притягиваются. Это — так называемые электростатические, или кулоновы, силы. Они играют большую роль в технике. В частности, например, на использовании этих сил основаны некоторые виды «ядерной артиллерии», с помощью которой ученые бомбардируют атомные ядра, изучая их строение и действующие внутри ядер силы. Электрические силы воздействуют в этом случае на частицы, имеющие электрический заряд, например отрицательно заряженные электроны или положительно заряженные протоны (ядра атомов водорода) или альфа-частицы (ядра атомов гелия). В результате такого воздействия частицы разгоняются до огромных скоростей, иногда близких к максимально возможной в природе — скорости света в вакууме. Таким образом, эти частицы и превращаются в удобные «снаряды» для атомной бомбардировки.

Мысль использовать электрические силы для реактивных двигателей потому, собственно говоря, и приходит в голову, что с их помощью легко достигнуть больших скоростей истечения, совершенно не достижимых в обычных двигателях.

Но как использовать электрические силы для ускорения молекул газов, вытекающих из двигателя через сопло? Ведь эти молекулы не имеют заряда, они нейтральны, а на такие частицы электрические силы практически не действуют.

Однако нельзя ли сообщить молекулам электрический заряд какого-нибудь знака? Оказывается, можно. И в некоторых случаях достаточно легко. Такой процесс не только известен, но и широко используется в технике. Этот процесс электризации молекул носит название ионизации, и соответственно этому заряженные молекулы называются ионами. Вот почему, в частности, верхние слои земной атмосферы, состоящие в основном из электрически заряженных частиц воздуха, называют ионосферой.

Чтобы ионизировать молекулу, достаточно, например, оторвать от нее один из электронов ее электронной оболочки. Тогда молекула окажется заряженной положительно. Особенно просто это сделать в том случае, если один из электронов на электронной оболочке слабо связан с ядром атома, как это бывает в атомах металлов. Можно дважды, трижды и т. д. ионизировать молекулу, лишая ее электронную оболочку двух, трех и т. д. электронов (как известно, в недрах звезд ядра атомов вовсе лишены электронов).

Вот почему обязательным элементом ионного двигателя является так называемая ионизационная камера, в которой из молекул рождаются ионы. Для этого достаточно, например, пропускать молекулы через раскаленную металлическую сетку; слабо связанные с ядром атома электроны не выдерживают увеличивающихся из-за нагрева колебаний и отрываются от молекулы.

Остальное уже просто. Раз есть ионы, то их «нетрудно разогнать до больших скоростей с помощью электростатических сил. Можно воспользоваться, в частности, каким-нибудь ускорителем, вроде применяющихся в лабораториях ядерной физики, хотя здесь потребуются несравненно меньшие скорости. А можно просто пропустить ионы через конденсатор, пластины которого несут противоположный заряд. Если сделать такие пластины в виде сеток или установить их под углом друг к другу, то конденсатор будет испускать поток заряженных частиц большой скорости. Чтобы сам двигатель при этом не заряжался электричеством противоположного знака, оторванные от молекул электроны нужно тоже выбросить наружу с помощью такого же устройства.

Теория и опыт показывают, что в ионном двигателе нетрудно достигнуть скорости истечения 100 километров в секунду и даже более. Это в десятки и сотни раз больше, чем в обычных «химических» ракетных двигателях. Соответственно больше, естественно, и тяга, развиваемая каждым килограммом вытекающих частиц (ими могут быть, например, ионы металлов цезия или рубидия).

Может быть, ионному ракетному двигателю и суждено стать авиационным двигателем завтрашнего дня?

Нет, дело обстоит не так просто. Прежде всего возникает вопрос об источнике электрического тока, необходимом для такого двигателя. Не устанавливать же на самолете электростанцию обычного типа… Очень подходящим был бы атомный двигатель, в особенности с непосредственным преобразованием ядерной энергии в электрическую, но такого двигателя еще нет. А потом, как показывает расчет, ионный двигатель способен развивать лишь сравнительно небольшую тягу, так как количество вытекающих из него частиц при практически осуществимой мощности может быть относительно малым.

Вот почему ионные двигатели найдут себе, вероятно, применение в такой новой области авиации, какой является астронавтика. Для космических кораблей, совершающих полеты в поле слабого тяготения, то есть вдалеке от планет, ионный двигатель может оказаться очень выгодным. Впрочем, не исключено его применение в сочетании с другими двигателями и для сверхвысотной авиации.

Ионный двигатель далеко не единственный тип электроракетного двигателя, который может быть с успехом использован для этих целей. Наряду с ионными ученые разных стран исследуют в настоящее время и другие типы электрических ракетных двигателей, в которых обеспечивается гораздо более высокая скорость истечения, чем в самых совершенных обычных, то есть химических ракетных двигателях.

18* Действительно, химическая энергия топлива переходит в кинетическую энергию вытекающих газов, и при том же значении этой кинетической энергии скорость вытекающих из двигателя частиц будет тем больше, чем меньше их масса, — ведь кинетическая энергия равна произведению массы на квадрат скорости, деленному пополам.

19* Об этом говорится, например, в журнале «Эс Эй И Джорнел», 1957 г. Подробнее о перспективах атомной авиации см. в главе IX.

20* Газета «Правда», 24 апреля 1963 г.

21* В 1964 г. в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР была получена плазма с температурой более 100 миллионов градусов (газета «Правда», 23 июля 1964 г.).

Так может быть устроен ионный ракетный двигатель.

Одним из таких перспективных электрических ракетных двигателей является так называемый электротермический или, как его иногда называют, электродуговой двигатель. Идея этого двигателя заключается в том, что с помощью электрического тока можно нагреть рабочее вещество двигателя, которым в этом случае может быть любой газ или жидкость, до значительно более высокой температуры, чем при сгорании топлива. Всем известно, что в обыкновенной электрической дуге развиваются весьма высокие температуры — до 5–6 тысяч градусов. Именно поэтому электрическая дуга используется для сварки или резки металлов. С помощью ряда специальных методов эта температура может быть повышена до 10–15 тысяч градусов и даже более. Естественно, что газ столь высокой температуры будет вытекать из двигателя с неизмеримо большей скоростью, чем из обычного ракетного двигателя .

Другой весьма перспективный тип электроракетного двигателя тоже имеет дело с газом очень высокой температуры, так называемой плазмой. Но здесь уже нагрев газа сложит не только для того, чтобы повысить скорость вытекающего из двигателя рабочего вещества, но и главным образом для другого. Плазма характеризуется тем, что она, в отличие от холодного газа, электропроводна, ибо в ней в большом числе имеются свободные электрические заряды, как положительные, так и отрицательные (в среднем же плазма остается электрически нейтральной). Вот эти-то электрические свойства плазмы и используются в двигателе, который и называется плазменным, или же электромагнитным. Воздействуя на плазму с помощью электромагнитных полей, ее можно заставить течь с очень большой скоростью, что и требуется.

Электроракетные двигатели различных типов намного превосходят обычные ракетные двигатели, работающие на химическом топливе, в отношении скорости истечения из них рабочего вещества. Между тем величина скорости истечения является, пожалуй, наиболее важным критерием совершенства ракетного двигателя, в особенности в астронавтике. Ведь чем больше скорость истечения, тем больше и полезный груз, который может унести на себе космическая ракета. Ясно, как это важно для астронавтики.

Превосходство электрических ракетных двигателей (во многие десятки и сотни раз!) в отношении скорости истечения объясняется тем, что в таких двигателях рабочее вещество уже не является более источником энергии, как в обычных химических двигателях. Но за это преимущество приходится и дорого платить. Источник электрической энергии на борту ракеты должен быть очень мощным, а так как создать его нелегко, то приходится разрабатывать двигатели ничтожно малой тяги. Вот почему при тяге современных мощных ракетных двигателей в сотни тонн электроракетные двигатели будущего будут развивать тягу, измеряемую… граммами. Но и при столь малой тяге эти двигатели, как и «псевдоракета», о которой говорилось выше, будут способны обеспечить значительную выгоду при дальних космических полетах.

Интересно, что и средняя скорость полета электроракеты тоже может сравняться и даже превзойти скорость полета обычных ракет (об этом будет подробно рассказано в последней главе книги). Но только электрические ракетные двигатели должны работать не минуты, как обычные двигатели, а в течение многих дней, недель и месяцев. Можно не сомневаться, что в астронавтике будущего электроракетные двигатели займут почетное место, хотя, очевидно, при взлете с Земли не смогут заменить обычных ракетных двигателей большой тяги.

Космическим полетам с помощью электрических ракетных двигателей посвящена последняя, XX глава книги. Не случайно рассказ об электрических межпланетных кораблях завершает книгу — будущее астронавтики в большой мере связано именно с такими кораблями.

Но если иметь в виду сверхдальние космические полеты, полеты к звездам, то здесь мечты астронавтов связаны не с электрическими, а с еще несравненно более «экзотичными» реактивными двигателями. Их обычно называют фотонными, или квантовыми.

Фотоны — это частицы, кванты света, так что фотонный двигатель можно назвать и световым. Но что значит — световой ракетный двигатель? На первый взгляд, какое-то бессмысленное сочетание слов… Неужели в нем реактивная тяга создается излучаемым светом?

Да, именно так. То, что падающий солнечный свет оказывает давление, было доказано блестящим экспериментом известного русского физика П. Н. Лебедева еще в 1899 году. Правда, это совершенно ничтожное давление. Но все же оно существует. И если давят падающие лучи, то по известному закону Ньютона о равенстве действия и противодействия должны давить и испускаемые лучи.

Вот и основа для реактивного движения — достаточно установить на тележке прожектор и включить его, чтобы тележка поехала в сторону, противоположную лучу прожектора, под действием реакции световых лучей!

Но, конечно, такая тележка никуда не поедет. Ничтожная сила реакции лучей не в состоянии сдвинуть тележку с места. Однако давление света зависит от его интенсивности, от количества излучаемой световой энергии. Может быть, если установить прожектор колоссальной силы, тележка тронется с места?

Увы, нет. Если свет испускается какой-либо нагретой металлической поверхностью, как, например, в обычных электрических лампах, то для того чтобы сдвинуть тележку с места, температура излучающей поверхности должна составлять многие миллионы градусов. Но тогда прожектор мгновенно испарится!

Значит, невозможна «световая» ракета?

При настоящем уровне развития техники она, пожалуй, действительно нереальна. Правда, и сейчас можно было бы осуществить движение под действием светового ракетного двигателя, но только в таких условиях, где для движения достаточны даже ничтожные силы. Эти условия существуют, например, в мировом пространстве, вдали от массивных небесных тел, то есть в слабых полях тяготения. Но даже и там ускорение движения с помощью такой световой ракеты было бы столь малым, что она практически не имела бы смысла.

В будущем положение может измениться, причем радикальным образом — световая ракета, вероятно, станет основным двигателем «дальней» астронавтики.

22* Об этом и других электроракетных двигателях рассказано в научно-популярной книге К. А. Гильзина «Электрические межпланетные корабли», издательство «Наука», 1964 г.

Принципиальная схема фотонного ракетного двигателя.

Вряд ли возможно теперь описать конструкцию фотонной ракеты будущего. Но можно указать теоретические основы подобной ракеты.

Уже сейчас физике известны экспериментальные факты полного перехода вещества в свет, теоретически предвиденного задолго до этого великим Эйнштейном.

Так, например, когда две частицы вещества — электрон и позитрон — сталкиваются между собой, то они исчезают. Конечно, это не «исчезновение» материи, а переход ее из одного вида в другой. Вещество исчезает, но зато появляется… свет, испускаются два мощных фотона.

Наука считает принципиально возможным осуществить этот процесс — аннигиляцию — и для других, более массивных частиц вещества. Но тогда и количество света будет неизмеримо большим. Поэтому можно представить себе двигатель, в котором будет происходить интенсивный процесс превращения вещества в свет.

Такой «сверхатомный» двигатель будет испускать световой луч колоссальной, невиданной силы. Вот уж этот луч сможет перемещать даже большой космический корабль со значительным ускорением в слабом поле тяготения.

Но почему же астронавтика связывает особые надежды именно с фотонной ракетой, почему ей, этой ракете, уготована особая роль в будущем?

Все объясняется просто: только в данном случае полностью используются энергетические возможности вещества. Ведь даже в существующих атомных установках в энергию переходит менее одной тысячной доли ядерного горючего. Фотонная ракета будет, следовательно, расходовать в 1000 раз меньше «топлива», чем атомная установка. Уж меньше, чем в фотонной ракете, расходовать «топлива» просто невозможно.

Расчет показывает, что только полное, до конца исчерпывающее возможности атомной энергии, ее использование в астронавтике позволит осуществить столь невероятно трудное начинание, как полет к другим звездным мирам. Только фотонная ракета способна унести на себе значительный груз к звездам. Во всех других случаях даже атомные ракеты должны иметь на борту для подобного «сверхдальнего» полета в миллионы раз больше «топлива», чем весит полезный груз.

Значит, такой полет практически невозможен.

Но если уж говорить о далеких перспективах авиации и астронавтики, заглянуть значительно дальше, чем в ее завтрашний день, то стоит, пожалуй, упомянуть о еще более заманчивой и «экзотической» возможности.

Вся история авиации и воздухоплавание вся стремительно складывающаяся на наших глазах история астронавтики — это история борьбы с силой тяжести.

А нельзя ли вместо ожесточенной борьбы с тяжестью заключить с ней дружественный союз? Может быть, даже удастся научиться управлять этой могучей силой природы? Но что это значит — союз с тяжестью, управление ею? Не пустые ли это сочетания слов? Позволяет ли наука вдохнуть в них живой и реальный смысл?

В последнее время эти вопросы привлекают к себе пристальное внимание ученых ряда стран. Правда, падкая на сенсации пресса, в частности в США, уже шумит-гудит о «невесомых» самолетах и межпланетных кораблях. Однако эти сенсационные домыслы нужно тщательно отделить от научных фактов.

К сожалению, пока еще совсем не ясно, можно ли решить эту задачу, и тем более, как ее решить. Наука пока еще не сумела проникнуть в тайну тяготения. Есть лишь разные гипотезы. Может быть, ка- кая-нибудь из них и близка к истине — пока это проверить нельзя. Но материалистическая наука утверждает, что тяготение нельзя рассматривать в отрыве от других свойств материи. Это значит, что мыслим взаимный переход тяготения в другие формы существования материи. Когда эти возможности будут открыты и изучены, тогда, и только тогда, откроется возможность управлять тяготением. Для этого, следовательно, нужны исходные фундаментальные научные открытия* Дело пока еще за ними.

Но нет сомнения, что они будут сделаны, наука не терпит тайн и недомолвок. Штурм этой загадки природы уже ведется. Возможно, уже сейчас в лаборатории какого-нибудь ученого намечается решение увлекательной задачи…

И когда появится эта новая область науки — будет ли это «электрогравитика», как ее любят называть некоторые скороспелые прогнозисты, или какая-нибудь иная — только тогда все разговоры о союзе с тяжестью приобретут твердую научную основу. И только тогда «антигравитационные» двигатели самолетов и космических кораблей сделают их истинными властителями воздушного пространства. Впрочем, не только это. Управление тяжестью революционизирует всю технику, промышленность, строительство. Претерпит кардинальные изменения вся материальная культура.

Так будущее авиации еще теснее сплетается с судьбами человечества.