Сергей Капица - Алла Юрьевна Мостинская
В 2009 году мы побывали на том самом месте, у подножия Арагаца, там, где, кроме россыпи камней и пыли, ничего никогда не было. Теперь здесь находится известный во всем мире научный центр космических исследований. От шоссе в городок физиков ведет широкая тополиная аллея, цветут розы на улице Братьев Алиханьян. Говорят, осенью там можно увидеть редкий вид перелетных птиц — голубую горлицу…
* * *
На преддипломную практику и для выполнения диплома Сергей Капица был командирован в ЦАГИ. На его обучении в институте опальное положение отца никак не сказалось. Его дипломной работой была «вариация на тему ракеты Фау-2», части которой вместе с подробными описаниями имелись и в МАИ, и в ЦАГИ.
Советские специалисты при участии великого энтузиаста ракетостроения С. П. Королева спешно осваивали немецкую ракетную технику. Уже осенью 1946 года советскими и немецкими специалистами было проведено 11 пусков ракеты Фау-2. 10 октября 1948 года доработанная и усовершенствованная главным конструктором НИИ-88 С. П. Королевым ракета Р-1, созданная на основе Фау-2, совершила свой первый старт.
Весной 1949 года С. П. Капица с отличием окончил МАИ, с рекомендацией «принять за основу» его дипломную работу при подготовке кандидатской диссертации.
В то же время — 7 мая 1949 года состоялся первый старт доработанной С. П. Королевым ракеты Р-1А, с отделяющейся боевой частью.
Работа в ЦАГИ
Распределен Сергей Петрович был в ЦАГИ — основной и крупнейший авиационно-исследовательский центр страны, основанный Н. Е. Жуковским и А. Н. Туполевым, включавший комплекс аэродинамического экспериментального оборудования, в том числе крупнейшую в мире аэродинамическую трубу, сеть разносторонних лабораторий, позволявших проводить самые современные исследования в различных областях не только аэродинамики, но многих направлений науки и техники. Во многом благодаря специалистам и оборудованию ЦАГИ советская авиация в кратчайшие сроки после войны сумела выйти на передовые позиции в мире — освоив реактивную авиацию, сверхзвук, серийное тяжелое самолетостроение, первой поставив на линию, а фактически и создав реактивный лайнер. В ЦАГИ работали такие выдающиеся специалисты, как Б. С. Стечкин, М. В. Келдыш, Л. И. Седов, М. А. Лаврентьев, С. А. Христианович, Г. С. Бюшгенс, А. А. Дородницын, М. Д. Миллионщиков, В. М. Мясищев…
В ЦАГИ же Сергей Капица впервые встретился с Олегом Белоцерковским[34] — будущим ректором Физтеха, который работал в то время в вычислительном центре, занимаясь вопросами расчетов тепловых полей.
Наряду со своим несомненным научно-инженерным потенциалом ЦАГИ отличался и высочайшей степенью допуска (секретности) к проводившимся его сотрудниками работам. До 1950 года директором ЦАГИ был С. Н. Шишкин, ас 1950-го его сменил лауреат Сталинской премии А. И. Макаревский, впоследствии академик АН СССР, Герой Социалистического Труда.
Сергею Петровичу, который, ввиду своего родства с великими учеными, всегда был на виду, было поручено заниматься в ЦАГИ актуальнейшими вопросами теплопередачи и аэродинамического нагрева при больших скоростях потока. Названное направление работ в значительной степени определяло выбор материалов для летательных аппаратов, требующих в связи с увеличением скорости все большей термо- и теплостойкости. Работы этого цикла курировал в ЦАГИ, как и в МАИ, блестящий расчетчик тепловых полей, будущий академик, Герой Социалистического Труда А. А. Дородницын.
Работа, которую вел в ЦАГИ С. П. Капица, была в высшей степени интересной и актуальной — продиктованной временем. Со все более широким внедрением реактивной авиации, увеличением скоростей полета резко возрастало и число отказов (а с ним — число аварий и катастроф) из-за высокого нагрева элементов фюзеляжа, крыла, оперения, их возможного коробления, а случалось, и срыва. Рост нагрева был обусловлен тремя факторами: как более высокой, по сравнению с поршневой, скоростью реактивной техники; входившими во все более широкое применение менее термопрочными и термостойкими алюминиевыми сплавами; так и более тонкими профилями крыла и оперения, которые предлагались аэродинамиками для полетов в околозвуковой и сверхзвуковой области.
Аэродинамический нагрев объясняется тем, что налетающие на движущееся тело молекулы окружающей среды тормозятся вблизи тела. Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью, торможение происходит прежде всего в так называемой ударной волне, возникающей перед движущимся телом. При торможении молекул воздуха в пограничном слое, непосредственно у поверхности тела, энергия их хаотического движения возрастает, что ведет к росту температуры газа в этом слое и аэродинамическому нагреву тела. Максимальная температура, до которой может нагреваться окружающая среда в окрестностях движущегося тела, пропорциональна квадрату скорости этого тела и обратно пропорциональна удельной теплоемкости окружающей среды. Например, при полете сверхзвукового самолета со скоростью один километр в секунду температура торможения составляет около 700 К. Особенно обостряются эти вопросы при торможении космических тел, входящих в атмосферу Земли, с первой космической скоростью (~7,6 км/с) температура торможения достигает 8300 К. Если в первом случае температура обшивки самолета может быть близка к температуре торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо начнет разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие температуры. С увеличением скорости движения тела температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает.
Степень аэродинамического нагрева также непосредственно и существенно зависит от формы тела, которую предлагается учитывать путем введения в расчеты аэродинамического коэффициента сопротивления Сх.
Для скоростей выше первой космической различают два вида аэродинамического нагрева: конвективный и радиационный. Конвективный нагрев — это перенос тепла из области пограничного слоя к поверхности движущегося объекта путем теплопроводности и диффузии. Радиационный нагрев — это выделение тепла за счет излучения молекул окружающей среды (газа). Соотношение между тепловыми потоками конвекционными и радиационными зависит от скорости движения объекта. До значений первой космической скорости преобладает конвективный нагрев, при второй космической скорости (~11,2 км/с) конвективные и радиационные потоки примерно равны, при более высоких скоростях преобладающим тепловым потоком становится радиационный.
Сергей Петрович в том числе исследовал аэродинамический нагрев у гребней крыла посредством температурных датчиков: в аэродинамической трубе изменялась скорость потока, и при этом фиксировалось изменение температуры нагрева плоскости и гребня. Было установлено, что в зоне турбулентного потока теплообмен, по сравнению с потоком ламинарным, интенсифицируется.
Первая научная работа Сергея Петровича Капицы относилась к области авиационной теплотехники, которая в то время еще не составляла цельного учения, имела множество белых пятен и для своего времени была исключительно актуальна. В этой области широко использовались новейшие результаты самых современных физических исследований, где впервые была предпринята попытка построить распределение температурных полей на плоскостях и в местах их сопряжения с иными формами, движущимися в газовом потоке в зависимости от радиуса кромки плоскости и размеров сопряжений, что делало работу еще более ценной.
В то же время стало очевидно, что решение этой проблемы весьма не просто, требует длительных дорогостоящих исследований натурных моделей из различных сталей
