Путешествие к далеким мирам - Гильзин Карл Александрович

И, несмотря на это, к концу второй мировой войны слава поршневого двигателя начала меркнуть: все сильнее стало ощущаться, что этот двигатель становится тормозом на пути дальнейшего развития авиации. Несмотря на несомненные достоинства поршневого двигателя, уже отчетливо стал выявляться и его главный недостаток — он оказался непригодным для полетов с теми скоростями, которые требовались теперь от авиации. Никакие конструктивные усовершенствования не могли уже исправить дело. Этот двигатель пасовал перед новыми скоростями. Замена его двигателем другой системы стала неизбежной.

Когда самолет летит со все большей скоростью, ему приходится преодолевать все большее сопротивление воздуха. Но это значит, что и двигатель самолета должен развивать при этом все большую мощность, ибо работа, совершаемая двигателем, и затрачивается на преодоление сопротивления воздуха. К сожалению, поршневой авиационный двигатель развивает практически одну и ту же мощность вне зависимости от скорости полета. Если на аэродроме двигатель в состоянии развивать, скажем, 2000 лошадиных сил, то практически те же 2000 сил он будет развивать и в полете, когда самолет мчится со скоростью 600 или 700 километров в час. Если же установить более мощный двигатель, то он будет и более тяжелым, а это увеличит размеры самолета и, следовательно, снова повысит требования к мощности двигателя. Заколдованный круг, из которого выхода для поршневого двигателя нет!

Кроме того, стал еще подводить и неизменный товарищ поршневого двигателя — воздушный винт. С увеличением скорости полета концы лопастей винта, вращающегося с очень большим числом оборотов, начинают двигаться в воздухе с такой огромной скоростью, что это делает работу винта малоэффективной. Все большая часть мощности двигателя тратится при этом винтом бесполезно из-за увеличения потерь, связанных со сжимаемостью воздуха, и все меньшая часть затрачивается на полезную работу продвижения самолета в воздухе. А ведь потребность в этой работе с ростом скорости полета все возрастает!

Наконец, обнаружилась и еще одна преграда, окончательно доконавшая поршневой двигатель. На пути увеличения скорости полета самолетов грозной невидимой стеной стал «звуковой барьер». Этот таинственный «порог» взволновал умы авиационников; ему посвящалось все большее число статей в специальных журналах, все большее количество научных исследований. Выяснилось, что по мере увеличения скорости полета, как это показали опыты в аэродинамических трубах, сопротивление, которое оказывает воздух летящему самолету начинает вдруг резко увеличиваться. Как будто какая-то незримая рука внезапно упирается в нос летящего самолета и мешает ему лететь с большей скоростью, тормозит его. Чем больше скорость полета, тем сильнее эта рука, и тем больше должна быть мощность самолетного двигателя, чтобы преодолеть ее тормозящее усилие. И без того мощность поршневого двигателя уже недостаточна, а тут еще такая напасть…

Как это неоднократно бывало и в других случаях, оказалось, что причины такого внезапного увеличения сопротивления воздуха с ростом скорости полета не только были предсказаны задолго до того, как самолеты стали его ощущать в полете, но и были подвергнуты весьма тщательному теоретическому исследованию.

Еще в прошлом веке ученый-артиллерист профессор Артиллерийской академии Н. В. Маиевский первым в мире указал на связь этого внезапного увеличения сопротивления со скоростью звука в воздухе, то есть с той скоростью, с которой распространяются в воздухе звуковые волны. В 1902 году вышло в свет блестящее научное исследование тогда еще молодого ученого Сергея Алексеевича Чаплыгина — будущего академика, ученика и друга Николая Егоровича Жуковского. Это исследование заложило основы теории полета со скоростями, приближающимися к скорости звука. Более трети века этот выдающийся труд Чаплыгина оставался, по существу, незамеченным и рассматривался лишь как оригинальное математическое исследование, пока развитие авиации не поставило перед наукой проблемы, оказавшиеся во многом уже решенными этой работой русского ученого.

Теперь уже хорошо известно, что по мере приближения скорости полета самолета к скорости звука в воздухе, равной примерно 340 метрам в секунду, или 1225 километрам в час,[15] сопротивление воздуха резко увеличивается. Чем ближе скорость полета к скорости звука, тем больше это дополнительное, так называемое волновое, сопротивление. При этом сам полет становится неустойчивым, самолет начинает вибрировать, управление им нарушается.

Немало пришлось потрудиться советским ученым-аэродинамикам, опиравшимся на идеи Чаплыгина, пока им удалось найти средства уменьшения неприятностей, связанных с полетом, скорость которого приближается к скорости звука. Результатами этих трудов являются и непривычно тонкие крылья скоростных самолетов,[16] и необычная форма этих крыльев, придающая современному скоростному самолету вид стремительно летящей стрелы, и многие другие особенности этих машин.

Стало окончательно ясно, что перешагнуть через скорость звука, пробить звуковой барьер с обычным поршневым двигателем не удастся, об этом нечего и мечтать. Авиация обратилась за помощью к реактивной технике.

Это был естественный и логичный шаг, ибо реактивные двигатели наиболее выгодны именно для высоких скоростей полета. В этом легко убедиться на примере хотя бы той же пороховой ракеты.

Представьте себе испытание такой ракеты на стенде. Двигатель работает, порох сгорает; из сопла ракеты с огромной скоростью вырываются раскаленные пороховые газы, но… все это напрасно, никакой полезной работы при этом двигатель не совершает. Действительно, ведь работа есть действие силы на некотором пути, а в данном случае сила имеется: это сила реакции струи вытекающих газов, но путь-то отсутствует — ракета неподвижна. Это все равно, как если бы, скажем, вам было велено передвинуть тяжелый ящик в сторону, метра на два. Сколько бы вы ни трудились, пытаясь сдвинуть этот ящик, вы бы еще полезной работы не совершили. Вот если бы ящик сдвинулся со своего места, то работа была бы совершена, именно работа, равная произведению вашего усилия на пройденный ящиком путь. Пока ящик неподвижен, затрачиваемая вами энергия теряется бесполезно.

Но вот ракета полетела и мчится со все большей скоростью. Теперь уже работа ракеты совершается, она равна силе реакции струи газов, помноженной на пройденный ракетой путь.

Чем больше скорость полета, тем больше эта полезная работа. Легко сообразить, когда энергия газов будет полностью использована для совершения полезной работы — продвижения ракеты в окружающей среде.

Очевидно, как раз тогда, когда скорость полета ракеты станет в точности равной скорости истечения газов. Действительно, в этом случае газы, вытекающие из ракеты с огромной скоростью, будут относительно окружающего их воздуха совершенно неподвижными. Это и значит, что всю свою кинетическую энергию газы потеряли — она перешла в полезную работу движения ракеты. Правда, чтобы наступил такой момент, пороховая ракета должна лететь с очень большой скоростью — примерно 6–7 тысяч километров в час, но чем ближе скорость полета к этой наивыгоднейшей скорости, тем более эффективной становится работа реактивного двигателя.

Мы видим, что реактивные двигатели действительно рождены для высоких скоростей. Именно поэтому реактивные двигатели, вероятно, никогда не найдут широкого применения в наземном или водном транспорте — на железных дорогах, автомобилях, судах. При относительно малых скоростях передвижения, возможных в этих случаях, реактивные двигатели невыгодны и уступают тому же поршневому двигателю внутреннего сгорания. Другое дело в воздухе, где возможны огромные скорости, — в авиации и артиллерии. Здесь реактивные двигатели не имеют себе равных. Что же говорить о безвоздушном межпланетном пространстве?.. Кстати сказать, этот вывод о выгодности использования реактивных двигателей при больших скоростях полета был впервые в мире также получен Циолковским.