Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня
Модель нового самолета установлена для испытания в сверхзвуковой аэродинамической трубе (по журналу «Эроплейн», 1956 г.).
А за несколько дней до этого только чудо спасло от подобной же катастрофы 58-местный самолет «ДС-8», у которого три турбореактивных двигателя из четырех вышли из строя в результате попадания в них в полете над Данией… чаек 7*.
Поэтому-то в США введено в качестве обязательного испытание двигателей самолета на последствия попадания птиц 8*. Двигатель должен безболезненно проглотить при таком испытании до 16 птиц, малых-весом 85-115 граммов, и больших — весом 0,9–1,4 килограмма. Неплохой аппетит!
Но вернемся к испытательным станциям. В других конструкторских бюро, например создающих совершенные образцы самолетного оборудования, применяют специальные сложнейшие установки — термобарокамеры, имитирующие высотный полет. Многочисленные установки кондиционирования воздуха создают в этих огромных стальных, обычно цилиндрических по форме, камерах нужный экспериментатору искусственный климат. Воздух в камерах то холодный, то горячий, то сжатый, то разреженный, то сухой, то влажный. И все это регулируется с величайшей точностью, чтобы испытываемый агрегат точно так же бросало «то в жар, то в холод», как это случается в истинном полете.
Но вот наконец все, что можно, отработано, проверено и установлено на самолете. Как испытать теперь сам самолет?
Делается это не сразу.
Сначала конструкторы и ученые долго возятся с моделями самолета, изготовленными из дерева, пластмасс, металла. Затем эти модели «продувают» в аэродинамической трубе.
Вряд ли есть какое-либо другое устройство, которому авиация была бы так обязана, как аэродинамической трубе. От почти игрушечной трубы Циолковского, через первые трубы Жуковского, к современным трубам — колоссальный путь, путь непрерывного совершенствования, настойчивых поисков, остроумнейших находок и открытий.
7* Об этом сообщил канадский журнал «Эркрафт», № 8, 1962 г.
8* По реферативному журналу «Авиационные и ракетные двигатели», № 3, 1963 г.
Так выглядит человек в большой аэродинамической трубе (из журнала «Эронотикел инжиниринг ревью», 1957 г.).
Испытание в аэродинамической трубе дает ответ почти на все вопросы, волнующие конструктора. Оно говорит ему, какова будет скорость нового самолета, будет ли он устойчивым в полете, маневренным, не будут ли возникать в нем опасные колебания, носящие хитрые иностранные названия — флаттер, бафтинг и другие. Для этого модель самолета помещают на точнейших и сложнейших аэродинамических весах. Они не просто измеряют усилия, действующие на самолет в трубе, но делают это очень точно и регистрируют отдельно силы, действующие вверх, в стороны, вниз, отдельно — так называемые моменты, стремящиеся опрокинуть самолет вправо или влево, повернуть его вверх, вниз или-в стороны. И при этом весы не только измеряют все эти усилия, но и автоматически записывают их в течение всего хода испытания.
Но вот модель самолета установлена на весах, и труба начинает работать. По ней с огромной скоростью устремляется воздушный поток. Он тоже должен имитировать условия истинного полета, значит, воздух в трубе должен быть плотным или разреженным, теплым или холодным, его скорость должна точно соответствовать скорости полета. Выходит — опять мощные вентиляторы и воздуходувки, опять насосы и компрессоры, опять печки и холодильники, опять специальные газы, заменяющие воздух.
Если труба пригодна лишь для испытания небольших моделей самолета, она может уместиться в комнате, а то и на столе экспериментатора. Но модель ведь всего только модель. Конечно, наука о моделировании, позволяющая заменять исследование настоящего объекта исследованием его модели, сделала в авиации чудеса. Но все же модельное испытание далеко не всегда способно заменить полномасштабное, натурное.
И вот в трубу вводится уже целиком весь самолет. Теперь труба — это уже не труба, а огромный, длиннейший коридор. Человек в нем кажется букашкой. И весы — это уже не те миниатюрные весы аптечного вида, которые применяются в малых трубах, а грандиозное сооружение. Но самое большое изменение претерпевает воздуходувка. Теперь это уже не вентилятор вроде того, что спасает нас летом от жары. Гигантские многолопастные винты создают ураган в трубе. И понятно, что для привода их во вращение нужны уже не миниатюрные электромоторчики, а двигатели колоссальной мощности.
Эта мощность тем больше, чем больше размеры трубы и чем больше имитируемая скорость полета. Когда эта скорость приближается к звуковой, а затем и превышает ее, мощность двигателей трубы становится колоссальной. Гигантские электростанции питают силовую установку трубы. Иной раз даже прекращается подача тока всем остальным потребителям.
Но порой и это не помогает, когда скорость намного превышает звуковую. Тогда приходится переходить на трубы, в которых течет сильно разреженный воздух, или снова уходить от натуры к модели, однако и это ненамного облегчает задачу. И настойчивая мысль экспериментатора бьется, пытаясь найти пути преодоления необычайных трудностей.
Если нельзя создать в трубе непрерывный поток огромной, сверхзвуковой скорости, то, может быть, удастся создать такой поток хоть на короткое время?
И исследователи обращаются к разнообразным трубам кратковременного действия. В гигантский стальной шар мощные насосы накачивают воздух. Так продолжается час, два. Наконец давление в шаре достигает заданного значения. Теперь насосы останавливаются и открывается заслонка, через которую воздух из шара устремляется в аэродинамическую трубу, создавая поток огромной скорости, и вот уже шар снова пуст. Надо опять его заряжать… Чтобы сэкономить время, устанавливается не один, а два-три шара: пока один срабатывает, другой накачивается — готовится к испытанию. Такие установки, конечно, значительно дешевле, чем трубы непрерывного действия.
Создать поток большой скорости — это главное, но этим не ограничиваются задачи исследователей. Ведь нужно имитировать и «тепловой барьер». Как нагреть воздух до температуры в сотни градусов?
Значит, и здесь без «печек» не обойтись. По пути в шар воздух проходит через электрические подогреватели или подогревается в батареях, снаружи которых текут раскаленные газы — продукты горения топлива в специальных топках. Но вот воздух вошел в шар. Пока шар накачивается, воздух остывает, теряя драгоценное тепло, полученное столь дорогой ценой. Как уменьшить потери тепла? Для этого в одной из труб гигантские шары — резервуары сжатого воздуха — заполнены миллионами… пустых консервных банок. Банки служат своеобразными аккумуляторами тепла, запасая его в своих тонких стенках 9*.
Но впереди еще большие скорости полета, в 5-10-20 раз превышающие скорость звука. Мало того, эти условия полета существуют ведь уже и сейчас. С такой скоростью, например, врывается в плотные слои атмосферы высотная дальняя баллистическая ракета, завершающая свой тысячекилометровый полет. Что испытывает ракета в этих условиях? Как имитировать их в лаборатории?
И наука ищет решения все усложняющихся задач. В обычных трубах не удается создать поток нужной скорости. Но что произойдет, если испытываемая модель будет мчаться навстречу потоку? Тогда относительная скорость потока и модели станет равной сумме обеих скоростей. Так появляются «трубы свободного полета». Ничтожные мгновения длится полет модели в такой трубе, но на худой конец и их достаточно. Чувствительные приборы расскажут ученому-экспериментатору, какова была в полете температура в разных точках модели. Остроумнейшие устройства сфотографируют невидимый поток воздуха, обтекающий летящую модель, и раскроют тайны этого обтекания, без знания которых нельзя правильно рассчитать самолет или ракету и их полет. Часто оказывается более целесообразным «выстрелить» моделью не в воздушный поток, а в струю какого-нибудь газа или смеси газов 10*. И это, конечно, делается — ученого не остановят никакие препятствия.
Понятно, что трубы свободного полета далеко не так удобны для экспериментатора, как обычные аэродинамические трубы. Нельзя ли все же именно их использовать для исследования полета с большой сверхзвуковой, или, как ее иногда называют, гиперзвуковой скоростью?
Можно. Для этого служат так называемые ударные трубы, рожденные быстро развивающейся техникой авиационного эксперимента. Очень просты эти трубы по идее, но, как это часто бывает, чрезвычайно сложны в использовании. Представьте себе длинную, в десятки метров, трубу сравнительно небольшого сечения. Слева у этой трубы- пушки своеобразная «казенная часть» — камера с сильно сжатым газом. Эта камера отделена от остальной трубы — ствола, другой конец которого открыт в атмосферу, металлической перегородкой — диафрагмой. В стволе установлена испытываемая модель; ее можно увидеть сквозь кварцевые окошки в стенке трубы. Когда нужно произвести испытание, диафрагма моментально рвется, часто с помощью электрического тока. Сжатый газ из камеры устремляется в трубу, предшествуемый мощной волной повышенного давления. Эта невидимая волна (впрочем, в трубе ее удается видеть и даже сфотографировать с помощью специально разработанных устройств) мчится с огромной скоростью, набегает на модель, имитируя условия гиперзвукового полета. И опять лишь мгновения длится опыт — мгновения, которые должны дать ответ на многие вопросы, волнующие ученого и конструктора.
