Глава IV. Двигатель-рекордист

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.

Понятно, что подобные скорости полета только и возможны в космосе, вне пределов земной атмосферы с ее коварным «тепловым барьером». Конечно, корабль-спутник «Восток» не похож на привычный самолет и, в частности, не имеет крыльев и шасси; в нем иначе устроена герметическая кабина с ее системой регенерации воздуха и т. д. Однако это не меняет дела — полет человека с космической скоростью, о чем столько мечтали люди, уже совершен. Нет сомнений, что в будущем с подобными скоростями будут летать и пассажирские ракетопланы.

13* Огромная мощность при малом весе достигается в этих двигателях, конечно, нелегко — срок их жизни, или ресурс, оказывается очень ограниченным. Это — общий закон: за увеличение мощности и уменьшение веса приходится расплачиваться долговечностью.

14* Об этом сообщают журналы «Флюгвельт» (январь 1963 г.) и др.

15* Эта Федерация установила, что до высоты 100 километров все рекорды считаются авиационными, а выше — космическими. Поэтому высота полета более 107 километров, достигнутая самолетом «Х-15» в 1963 г. (об этом сообщено в журнале «Флайт» в январе 1964 г., и др.), является уже «космической».

Одна из первых в мире установок жидкостного ракетного двигателя на отечественном самолете (1943 г.).

Однако и у жидкостного ракетного двигателя есть недостаток — он чрезвычайно неэкономичен при сравнительно небольших скоростях полета, близких к скорости звука. В этих условиях он расходует в 10–15 раз больше топлива на килограмм тяги, чем турбореактивные двигатели. Поэтому продолжительность полета самолета с жидкостным ракетным двигателем (когда он работает на полной тяге) не может превысить обычно 4–5 минут: за эти считанные минуты двигатель полностью расходует те несколько тонн топлива, которые можно разместить в самолете. Этим и объясняется, почему до сих пор жидкостные ракетные двигатели нашли весьма ограниченное применение в военной авиации. Они устанавливаются лишь на истребителях обороны или так называемых истребителях-перехватчиках, предназначенных для борьбы с бомбардировщиками. Только в этих случаях превосходство в скорости и высоте полета компенсирует крайне малую продолжительность полета. Используя полет с выключенным двигателем, можно увеличить эту продолжительность до десятков минут.

Более широкое применение на военных самолетах жидкостные ракетные двигатели получили в качестве вспомогательной силовой установки к турбореактивному или прямоточному двигателю. В этом случае жидкостный ракетный двигатель включается лишь на короткие промежутки времени — для ускорения взлета и набора высоты, в воздушном бою и т. д., что не связано со столь значительным перерасходом топлива. Особенно ценной оказывается эта «помощь» на больших высотах. Известно ведь, что тяга турбореактивного двигателя быстро уменьшается с высотой. Поэтому жидкостный ракетный двигатель, имеющий на земле вдвое, а иногда и втрое меньшую тягу, чем турбореактивный, на большой высоте разовьет уже в несколько раз большую тягу, так как она останется у него неизменной (иди даже несколько возрастет), а тяга турбореактивного двигателя катастрофически упадет вместе с плотностью воздуха.

Очень важным оказывается иногда и то, что тяга ракетного двигателя не зависит от скорости полета. Ведь когда скорость уменьшается, тяга любого воздушно-реактивного двигателя обычно тоже падает, отчего самолет теряет маневренность. Установка турбореактивного двигателя совместно с ракетным, как это сделано на некоторых новейших истребителях, значительно повышает маневренность самолета, столь важную в военной авиации.

Для облегчения взлета и набора высоты вспомогательные жидкостные ракетные двигатели применяются и на тяжелых самолетах — бомбардировщиках, транспортных.

Но, как это ни парадоксально, тот же ракетный двигатель, способный работать на полной мощности считанные минуты, может обеспечить сверхдальний полет самолета подобно тому, как это случилось с космическими кораблями «Восток». Правда, такой самолет будет необычным. Необычным будет и его полет, напоминающий скорее полет ракеты.

Действительно, двигатель самолета будет работать только в самом начале полета, как двигатель ракеты на активном участке ее траектории. Потом, когда топливо будет выработано, самолет полетит, как снаряд. Оттого и полет этот, для которого крылья не нужны, называется баллистическим, как в артиллерии.

За короткое время летящий с огромной скоростью самолет заберется на высоту в сотни, а может, и тысячи километров — все зависит от полученной скорости. Оттуда, израсходовав кинетическую энергию, самолет станет падать на землю. Как видно, и здесь крылья все еще не нужны. Они могут и вовсе не понадобиться, если на самолете будет оставлен достаточный запас топлива и предусмотрен специальный двигатель для торможения, как это и было на кораблях «Восток». Иначе ведь самолет разрушится — расплавится, испарится из-за нагрева в плотной атмосфере.

Но можно попытаться обойтись и без специального двигателя и запасного топлива. Вот тут-то уже понадобятся крылья! С их помощью вслед за коротким и стремительным баллистическим прыжком в сотни и тысячи километров — прыжком в космос — самолет сможет совершить планирующий полет в плотном воздухе нижних слоев атмосферы.

Заманчивая идея! Правда, осуществить ее куда труднее, чем предложить. Трудности, которые придется преодолеть, под стать размаху самой идеи. Вряд ли мы ошибемся, если предскажем не только экспериментальные, но и регулярные линейные полеты таких пассажирских самолетов через материки и океаны в авиации завтрашнего дня 16*.

Большую службу несут жидкостные ракетные двигатели для исследования сверхзвукового полета. В авиации, как и р других отраслях техники, должны быть свои «разведчики», первыми проникающие в еще не исследованные, неизвестные области. Только их роль здесь, пожалуй, более ответственна и сложна. Вот такими «разведчиками» и являются экспериментальные, исследовательские самолеты с жидкостными ракетными двигателями.

Однако необычайная «прожорливость» этих двигателей осложняет их использование и на исследовательских самолетах. Дело в том, что полет с большой, сверхзвуковой скоростью возможен лишь на высотах 15–20 и более километров. Это объясняется двумя причинами. При полете на меньших высотах, в плотном воздухе, сопротивление, которое оказывает атмосфера летящему самолету, становится чрезмерным, что и требует очень мощных двигателей. С другой стороны — и это по крайней мере так же, если не более важно, — подобный полет — связан с опасностью чрезмерного перегрева самолета в результате так называемого аэродинамического нагрева. Но как забраться на необходимую высоту? Ведь даже при исключительно большой скороподъемности самолетов с жидкостными ракетными двигателями они могут достигнуть нужной высоты, лишь израсходовав все имеющееся топливо!

Часто эта задача решается так, что жидкостный ракетный двигатель исследовательского самолета освобождается от обязанности поднимать самолет на «рабочую» высоту. Эта «черновая» работа возлагается на другой самолет, выполняющий в данном случае роль своеобразного сверхвысотного лифта. Исследовательский самолет устанавливается на тяжелом самолете-носителе — либо «на хребте», сверху, либо снизу, в бомбовом люке, — и освобождается от него уже только на большой высоте, где запускается жидкостный ракетный двигатель. Рекордные результаты по высоте и скорости полета, достигнутые самолетом «Х-15», о которых упоминалось выше, получены именно таким образом.

16* Подробнее об этом см. в главе XI.

* * *

Так были одержаны первые победы над скоростью звука. Теперь уже можно с уверенностью ждать все более стремительного продвижения вперед, ко все большим скоростям полета. Используя военную терминологию, можно сказать, что реактивная авиация прорвала укрепленную полосу — «звуковой барьер» — и вышла на оперативный простор сверхзвуковых скоростей полета.

Эта аналогия глубже, чем может казаться. После того как «звуковой барьер» преодолен, дальнейшая борьба за скорость значительно облегчается и, можно думать, будет развиваться гораздо успешнее* Пока шел штурм «звукового барьера», даже незначительное увеличение скорости полета требовало существенного повышения тяги двигателя. Это был тяжелый штурм, трудное восхождение на почти отвесную вершину. Но вот «барьер» взят — и теперь даже сравнительно небольшое увеличение тяги сразу сказывается в значительном увеличении скорости полета. Сейчас идет увлекательная борьба за скорости в 2–3 тысячи и более километров в час.

Вот что значит выйти на простор сверхзвуковых скоростей полета!