Авиация и астронавтика — родственные области науки и техники. Было время, когда развитие первой подготовляло путь для второй; настанет время, когда вторая поделится своими достижениями с первой и поможет ее дальнейшему развитию.
Развитие авиации было стремительным, торжество ее — беспримерным в истории. Ни одна отрасль науки и техники никогда до этого не развивалась с такой быстротой и размахом.
За кратчайший исторический срок в авиации сменился целый ряд двигателей. Первые изобретатели пытались ставить на свои самолеты паровую машину. Ее скоро сменил двигатель внутреннего сгорания, достигший значительного совершенства. В последнее десятилетие он был вытеснен со скоростных самолетов реактивным двигателем. А в настоящее время в ряде стран ведутся работы по использованию в качестве самолетного двигателя атомного реактора.
Соответственно изменялась и предельная высота полета — так называемый «потолок» самолета.
Семейство реактивных двигателей (снизу вверх): 1 — пороховые ракеты и сегодня применяющиеся как дополнительные двигатели при взлете тяжело нагруженных воздушных кораблей. 2 — турбокомпрессорный реактивный двигатель — самый распространенный двигатель современной скоростной авиации. Встречный воздух сжимается компрессором а; в него в камере сгорания б впрыскивается горючее; газы горения вращают турбину в и, вылетая через сопло г, создают реактивную силу. 3 — в прямоточном реактивном двигателе встречный воздух, пройдя решетку а, попадает в камеру сгорания б, и газы горения выбрасываются через сопло в. 4 — жидкостный реактивный двигатель — двигатель будущих космических кораблей. Горючее а и окислитель б подаются турбонасосами в в смесительную камеру г. Горючая смесь сгорает в камере д, и газы горения вырываются в сопло е. Для привода турбонасоса используется перекись водорода ж.
Первые самолеты летали очень низко над землей — высота их подъема едва достигала нескольких десятков метров. К 1920 году «потолок» самолета поднялся до 4000 метров. Сегодня он превзошел 18 тыс. метров, хотя серийные самолеты, как правило, и не поднимаются на такую высоту.
История авиации — это в значительной степени история борьбы за скорость и высоту полета.
Первые самолеты имели скорость 40–50 километров в час, и это казалось тогда стремительным полетом. Всего 45 лет назад она не превышала 80 километров в час, а сегодня зарегистрированным рекордом скорости самолета является 1215 километров в час! Эта скорость почти равна скорости звука. Нерегистрируемые скорости на пикировании в высотных слоях атмосферы значительно превосходят и эту официальную скорость. Скорости же в 1100, 1200 километров в час стали обычными скоростями серийных скоростных самолетов.
Исследователи истории авиации начертили по годам кривую роста скоростей самолета. И вот оказалось, что получилась не плавная линия, на которой год за годом происходил рост скоростей на определенную величину, а волнистая линия с участками крутого роста, сменяемыми участками почти горизонтальными — роста скорости не происходило.
Ученые сопоставили эти участки крутого подъема с появившимися в те годы конструкциями самолетов, и оказалось, что они совпадали с моментом, когда в конструкцию самолета вводилось какое-либо серьезное техническое новшество.
Так, в 20-х годах быстрый рост скоростей самолетов объясняется переходом от тонкого крыла к толстому, в котором можно было спрятать шасси с колесами, что в значительной степени уменьшало сопротивление самолету потока воздуха. Следующий скачкообразный рост скоростей в первой половине 30-х годов совпадает с введением наддува в цилиндры двигателя. До этого двигатель вынужден был «дышать» забортным воздухом, который чем выше, тем становился разреженнее. Двигатель «задыхался» в этом разреженном воздухе, терял мощность. И самолет не мог использовать из-за этого преимуществ, даваемых уменьшившимся сопротивлением воздуха.
Боевые пороховые ракеты — близкие родственники осветительных ракет — были могучим оружием советских летчиков в борьбе против фашистских оккупантов.
Введение наддува обеспечило двигателю самолета возможность и в разреженных слоях атмосферы «дышать» уплотненным воздухом. И скорость самолета повысилась на добрых 150–200 километров в час.
Но самый большой и резкий скачок кривой роста скоростей самолетов произошел где-то около 1945 года. Это в авиацию пришел реактивный двигатель. Скорость самолета поднялась на 250–300 километров в час. Замена поршневого двигателя на самолете реактивным двигателем была подлинной технической революцией. Вместе с тем это момент, когда линии развития авиации и астронавтики сблизились и пересеклись, взаимно обогащая друг друга.
Первое и основное преимущество реактивного двигателя перед поршневым состояло в чрезвычайно высокой мощности при небольшом весе. Борьба за снижение «удельного веса» авиационного двигателя — снижение веса двигателя на единицу развиваемой мощности — велась очень давно. Если в 1910 году «вес 1 лошадиной силы» составлял свыше 2,5 килограмма, то к 1950 году — за 40 лет — он упал до 0,4 килограмма.
Мощность реактивного двигателя имеет несколько иное выражение, чем у поршневых двигателей, поэтому сравнение «удельных весов» поршневых и реактивных двигателей несколько затруднительно. Однако все же некоторое сравнение возможно. Так, если взять обычный авиационный жидкостный реактивный двигатель весом в 150 килограммов, развивающий силу тяги до 3000 килограммов, то при скорости полета в 2000 километров в час полезную тяговую мощность такого двигателя следует считать равной примерно 22 тыс. лошадиных сил. Значит, каждая лошадиная сила этого двигателя «весит» всего 6 граммов — в несколько десятков раз меньше, чем у лучших поршневых двигателей.
О возможностях, которые открыл реактивный двигатель авиации, говорит такой факт. В настоящее время в авиации не редки реактивные скоростные самолеты с тяговым усилием двигателей в 4300 килограммов. Пересчет показывает, что при обычной для таких самолетов скорости в 1100 километров в час это тяговое усилие эквивалентно мощности поршневого двигателя в 35 тыс. лошадиных сил. Даже самые лучшие поршневые двигатели с «удельным весом» всего в 400 граммов на лошадиную силу, развивающие такую мощность, должны весить около 14 тонн. Между тем общий взлетный вес скоростного реактивного самолета с рассматриваемыми характеристиками может быть меньше 14 тонн, а вес самих реактивных двигателей едва ли превосходит 3 тонны.
Современные авиационные реактивные двигатели очень отличаются от тех двигателей, которые будут работать на космических кораблях. Однако многое из этих двигателей может быть освоено и использовано двигателями космических кораблей. Это относится и к жаропрочным материалам и к форме камер сгорания и сопел и т. д.
Посмотрим, как устроены и работают современные авиационные реактивные двигатели.
Двигатели этих скоростных реактивных самолетов — ближайшие родственники двигателей будущих космических кораблей.
ДВИГАТЕЛЬ СКОРОСТНОГО САМОЛЕТА
Предложенный К. Э. Циолковским ракетный двигатель, работающий на жидком топливе, содержал в своих баках все — и горючее и окислитель. Он был рассчитан для работы в безвоздушном пространстве; для этой цели предложенная Циолковским конструкция была единственно возможной и единственно правильной.
Но ведь самолет рассчитан для полета в воздухе, в котором вполне достаточно кислорода для горения любого практически применяемого топлива. Поэтому не следует возить с собой на самолете окислитель, который можно брать прямо из атмосферы.
