ОРУЖИЕ

 «Первый американский реактивный самолет Р-59 совершил свой первый полет в конце 1942 года. Однако... у этого опытного самолета для достижения нужной цели были «ноги коротки». Никакого участия в боевых действиях самолет не принимал...

- Что можно сделать для улучшения летно-скоростных качеств наших самолетов? - спрашивал генерал Арнольд у летчиков-истребителей.

- Сэр, наши самолеты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с еще большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своем «Мустанге» спикировал на МЕ-сто девять... Управление заклинилось, и самолет затрясся, словно пневматический молоток. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трехстах метрах от земли я с трудом выровнял машину.

 Возникла новая проблема. Самолеты со скоростями около 650 километров в час при пикировании в воздушном бою доходили до скорости звука, проникая в логово воздушного чудовища сжимаемости, явления, шире известного под названием звукового барьера.

 Итак, врагами наших летчиков-истребителей были не только немцы и японцы. В еще неведомой области звукового барьера, словно в засаде, поджидало самолет страшное явление сжимаемости. Оно вызывало тряску и вело к разрушению, делало самолет неуправляемым, затягивало его в крутое пикирование до самой земли...

 В аэродинамике явление сжимаемости как следствие большой скорости было известно давно, и все ученые считали полеты на звуковой и сверхзвуковой скоростях вообще невозможными.

 Однако в боевых условиях самолетам нередко приходилось залетать прямо в логово этого чудовища, и ученые были застигнуты врасплох». (Из книги американского летчика-испытателя Уильяма Бриджмена «Один в бескрайнем небе».)

 Конечно, в годы войны ученым было не до теорий. Фронт требовал непрерывно новейшей, современнейшей техники, и лучшие головы денно и нощно трудились над ее созданием. В результате произошел разрыв: техника сделала гигантский скачок вперед и обогнала науку настолько, что вторглась в совершенно неисследованные области. Авиация уже достигла околозвуковых скоростей, в то время как аэродинамики еще не имели даже экспериментального оборудования для их исследования. И вот новые самолеты неудержимо затягивает в пикирование, и никто не может объяснить, отчего это происходит. Причем на таких скоростях никакой, даже самый сильный летчик не сможет выбраться из машины, чтобы спастись на парашюте. Стопудовой тяжестью навалится на него встречный поток воздуха, если он только попытается, открыть фонарь кабины.

 Пришлось пока запретить полеты со скоростью больше 900 километров в час и срочно заняться разработкой теории.

 Теории околозвуковых и сверхзвуковых скоростей обтекания.

 Правда, кое-что о странных явлениях, связанных с этими скоростями, было уже известно. Еще изобретатель паровой турбины Лаваль сталкивался с ними. Исследуя истечение пара под высоким давлением, он получал довольно большие скорости, выпуская пар через конические сужающиеся насадки - конфузоры. В самом узком участке конфузора, на выходе, скорость была наибольшей. Чем уже сечение, тем выше скорость - это естественно. Но вот парадокс: достигнув определенного предела, скорость отказывалась подниматься выше. Ни увеличение давления пара, ни сужение отверстия - ничего не помогало. Скорость упорно оставалась все той же... равной скорости звука. Перепробовав десятки вариантов, Лаваль, наконец, сумел увеличить скорость выше звуковой. К конфузору он стал прикреплять диффузор - расширяющийся участок. Такое комбинированное сопло, дающее возможность получения сверхзвуковых скоростей пара или газа, до сих пор называют соплом Лаваля.

 Интересные теоретические разработки содержались и в диссертации Чаплыгина «О газовых струях», защищенной им в 1902 году. Эта диссертация настолько обгоняла свое время, что настоящую оценку она получила лишь 35 лет спустя на Международной научной конференции, посвященной проблемам больших скоростей.

 Однако и теоретические, и практические данные были слишком разрознены. Видные советские ученые - Христианович, Лойцянский, Струминский и другие - приняли участие в создании единой теории сверхзвуковых скоростей.

 Вот как предстала перед ними физическая картина этого интереснейшего явления.

 Всякое быстро летящее тело испускает звук. Свиста пуль вы, к счастью, не слышали, но камни и палки, наверно, швыряли, - если запустить их посильнее, они тоже свистят. Звук распространяется от тела сферическими волнами. Каждая такая волна - микроскопическое уплотнение воздуха. Волны этих уплотнений распространяются со скоростью звука. Пока тело летит с дозвуковой скоростью, вызываемые им возмущения обгоняют его и рассеиваются в атмосфере. Но стоит летящему предмету догнать звук, как эти местные микроуплотнения сольются в единый фронт. Вообразите, что вы бежите со звуковой скоростью и пытаетесь петь: «Легко на сердце от песни веселой». Уже на слове «веселой» вы перестанете себя слышать. В ушах будет звучать и «лег», и «ко», и «на», и «серд» - оглушительная мешанина звуков, летящих рядом с вами. Нечто похожее произойдет и с самолетом, достигшим звукового барьера. Ведь теперь перед ним будет находиться не только то микроскопическое увеличение давления, которое он вызвал в данное мгновение, но и все предыдущие, - они будут приходить в одну и ту же точку на пути перед летящим телом одновременно и сливаться в сплошную стену, в тонкий слой воздуха, где давление окажется невероятно большим. Такой слой получил название скачка уплотнения. Тело, летящее со звуковой или сверхзвуковой скоростью, вынуждено все время пробиваться через слой воздуха большой плотности, который оно само и создает. Конечно, аэродинамические силы в таком скачке уплотнения начнут действовать совсем по-другому. Крыло и фюзеляж, спроектированные для дозвуковых скоростей, теперь окажутся неработоспособными - авария неизбежна.

 Но почему же смертельная опасность встретила летчиков уже на подступах к скорости звука?

 Дело в том, что воздух обтекает самолет неравномерно. Мы уже знаем, что скорость потока вдоль верхней поверхности крыла выше, чем вдоль нижней. Поэтому сам самолет может еще не достичь звуковой скорости, в то время как поток над крылом уже превысит ее. При этом немедленно возникнет скачок уплотнения, и летчик почувствует, как неодолимая сила пригибает нос самолета книзу. Плохо придется тому, кто при этом не успеет вовремя сбросить обороты двигателя. При начавшемся пикировании скорость начнет увеличиваться еще больше, и тогда уже спастись будет невозможно. Местный скачок уплотнения - вот кто погубил первых героев, штурмовавших звуковой барьер: Бахчиванджи, Гринчика и других испытателей в разных странах мира.

 Сразу же после получения первых данных о законах сверхзвукового обтекания начались разработки новых форм крыла. Расчеты и испытания в сверхзвуковых аэродинамических трубах показали, что заостренное тело гораздо легче преодолевает зону скачка уплотнения, чем плавно обтекаемое. Скачок, создаваемый таким телом (например, конусом), расположен под некоторым углом к потоку и называется косым скачком. Попробуйте перерезать перочинным ножиком ветку дерева. Если резать под прямым углом, ветка будет долго и упорно сопротивляться. Но направьте нож косо - и он пройдет сквозь препятствие с одного взмаха. Так же проходит и летящее заостренное тело сквозь косой скачок уплотнения.

 Быстрыми темпами пошло проектирование и строительство новых реактивных самолетов. Самым непривычным в них теперь было не только отсутствие винта, но и форма крыльев. Сверху они напоминали оперение стрелы, а в поперечном сечении представляли из себя тонкий ромб. Такая форма наилучшим образом удовлетворяла требованиям аэродинамики, но выдвигала перед конструкторами тысячу новых проблем.

 Во-первых, в тонком крыле не удавалось разместить вооружение без ущерба для прочности. Создатели МИГов, Микоян и Гуревич, попробовали установить пушку своего истребителя в фюзеляже между двигателями. Размещение казалось удачным, но при летных испытаниях выяснилось, что стоило летчику открыть огонь, как двигатели глохли. Такой самолет можно было сравнить с солдатом, который бы терял сознание от каждого собственного выстрела. Только коллективными усилиями группы вооружения и двигателистов удалось покончить с этой бедой.

 Другая трудность: стреловидно-ромбовидное крыло, надежно служившее при околозвуковых скоростях, очень капризно вело себя при взлете и посадке, когда скорости, естественно, малы. Любой маневр также грозил потерей устойчивости. «Нарушение устойчивости, - рассказывает академик Струминский, - на больших скоростях полета в условиях маневра, а также на режимах взлета и посадки связано с тем, что на верхней поверхности стреловидного крыла возникают интенсивные поперечные токи. Они гонят воздух вдоль поверхности крыла, накапливаются в концевой части, резко ухудшая обтекание. Возникали совершенно непривычные для аэродинамики явления: падение несущих свойств на конце крыла и улучшение несущих свойств в корне. Чтоб самолет не задирал нос, надо было улучшить обтекание на концах и ухудшить у корня... Так на крыльях появились перегородки, задерживающие поперечные течения».

Самолет с крыльями переменной стреловидности

 Но перегородки были лишь временным решением проблемы. Другое решение - создать крыло переменной стреловидности. В дозвуковой зоне полета крылья будут установлены почти перпендикулярно фюзеляжу, а в около- и сверхзвуковой зонах летчик нажатием специального рычага отведет их назад. Соблазнительно просто! Однако простота эта кажущаяся. Ведь нужно добавлять к весу самолета немалый вес механизма поворота крыльев. Кроме того, следить, чтобы и в том и в другом положении центр парусности крыльев не отходил далеко от центра тяжести всей машины. Так что, хотя сейчас уже существуют самолеты с крылом переменной стреловидности, всеобщей такая конструкция не стала, и инженеры продолжают искать другие решения (например, дельтаобразное крыло).

 Ну а что, если, несмотря на все теории и усовершенствования, авария в воздухе все-таки случится? Или самолет подобьют в бою? Что будет при этом с летчиком? Ведь выбраться из кабины на таких скоростях невозможно.

 В этом случае летчик выстрелит собой из самолета.

 Да-да, именно выстрелит.

 Под его сиденьем спрятан специальный пороховой патрон. Стоит нажать на кнопку с надписью «катапультирование», фонарь кабины автоматически откроется, патрон взорвется и кресло вместе с летчиком подлетит вверх. Причем подлетит так стремительно, что угроза столкновения с набегающим хвостом самолета исключена. Теперь остается отстегнуться от кресла и дернуть за кольцо парашюта. Конечно, проделать это не очень легко, когда тобой только что выстрелили. Поэтому и здесь летчику придет на помощь автоматическое, устройство.

 Можно было бы долго перечислять все трудности и опасности, связанные со сверхзвуковым полетом. И лишь полный перечень всех затраченных усилий мог бы дать представление о том, чего стоила замечательная победа 1950 года: МИГ-17, а за ним и ЯК-15 уверенно преодолели звуковой барьер.

 Конечно, никто не ждал, чтобы дальше за этим барьером все пошло как по маслу. Каждый шаг вперед по-прежнему стоил огромных трудов, изобретательности, мужества. Но, вместе с тем, открывались и новые возможности.

 Я уже рассказывал о том, как турбореактивный двигатель позволяет превращать вредное сопротивление встречного потока воздуха в полезное давление перед компрессором. Для этого входное сопло устраивается таким образом, чтобы скорость потока в нем плавно уменьшалась, превращаясь в давление. И ясно, что чем больше скорость самолета, тем больше добавочное давление. Компрессор будет требовать все меньше энергии - его функции (сжатие воздуха) в значительной мере берет на себя входное сопло. Наконец, настанет такой момент, когда компрессор, а вместе с ним и турбина, станут вовсе не нужны. Все необходимое сжатие будет осуществляться во входном сопле за счет скоростного напора; останется только впрыснуть в этот сжатый воздух топливо и мощная газовая струя вырвется из реактивного сопла.

 Такие реактивные двигатели без турбины и компрессора называются прямоточными.

 Прямоточный двигатель может создать тягу, необходимую для достижения скоростей, в три раза превосходящих скорость звука. Но, преодолев звуковой барьер, самолетостроение, как это всегда бывает, уперлось в следующие «барьеры», и в первую очередь в тепловой. На больших скоростях обшивка летательных аппаратов так нагревается от трения о воздух, что длительный полет делается невозможным. Причем спастись от тепла некуда, оно проникает всюду. Можно только замедлять его поступление внутрь машины, ставить на его пути преграды из прочных теплоизоляционных материалов. Например, нагрев обшивки от -60 до +80 С у самолета, летящего со скоростью 2500 километров в час (средняя скорость ТУ-144) происходит за три минуты. Применение теплоизоляторов позволяет растянуть это время до часа.

 Да, 2500 километров в час - скорость гигантская. Но знаете ли вы, чему равна первая космическая скорость? Та скорость, которую должна была развить ракета-носитель, запустившая первый искусственный спутник земли? 28800 километров в час - в десять раз больше!