В небе завтрашнего дня

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 12*, 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 13*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 14*. Эти результаты можно считать в настоящее время рекордными для самолета с человеком. В частности, они официально зарегистрированы Международной авиационной федерацией в качестве таких рекордов 15*. 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.