Турбореактивные двигатели, применяемые на современных самолетах, развивают тягу 5–7 тонн и более (по данным журнала «Интеравиа» № 10, 1958 г., и др.). Легко подсчитать, какую мощность развивает в полете двигатель подобной тяги. Так, мощность двигателя тягой 6000 килограммов при скорости полета 400 метров в секунду, что соответствует 1440 километрам в час, равна 32 тысячам лошадиных сил.
И это в то время, как наиболее мощные поршневые авиационные двигатели развивают по крайней мере в 8 раз меньшую мощность. А ведь поршневые двигатели имеют более чем полувековую историю развития.
Мало того: примерно четверть всей мощности, развиваемой поршневым двигателем, теряется бесполезно винтом, так что при мощности двигателя в 4000 лошадиных сил его полезная мощность составит примерно 3000 лошадиных сил. И вместе с тем такой двигатель будет иметь больший вес и большие размеры, чем турбореактивный двигатель, во много раз более мощный. Вот в чем секрет успеха реактивных двигателей в авиации.
А успех этот, кстати сказать, поистине необычайный. За несколько послевоенных лет вся скоростная авиация мира стала авиацией реактивной. Можно смело говорить о технической революции, вызванной в авиации применением реактивных двигателей.
Когда мы об этом говорим, то не можем не вспомнить с законной гордостью пророческие слова Циолковского, сказанные им еще тогда, когда к самой мысли о создании реактивных самолетов относились как к безудержной фантазии: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных». Эти вещие слова, сказанные четверть века назад, сбылись. Мы живем с вами в самом расцвете эры реактивной авиации.[17]
Вместо четырех турбореактивных двигателей реактивного бомбардировщика на нем нужно было бы установить не менее 24 сверхмощных поршневых двигателей.Достижения реактивной авиации поразительны. Ее возраст еще только немногим больше десятилетия, и все же «таинственный» звуковой барьер уже преодолен! И, как и следовало ожидать, ничего таинственного по ту сторону этого барьера не оказалось, по авторитетному свидетельству многократно побывавших там летчиков. Сейчас уже реактивные самолеты летают со скоростью, превышающей скорость звука в 2,5 и более раз.
Покоривший весь мир красавец реактивный пассажирский самолет «ТУ-104» за 3 часа переносит десятки пассажиров из Москвы в Лондон, за 11 часов — в далекий Владивосток. Пассажир, вылетевший утром из Петропавловска-Камчатского, в тот же день вечером слушает оперу в Большом театре в Москве — кто мог поверить в это еще несколько лет назад!
Новые пассажирские реактивные самолеты, выходящие сейчас на авиалинии, будут перевозить не десятки, а сотни пассажиров. Кто мог ждать что так скоро работникам нашей гражданской авиации придется задуматься над несколько необычной для них задачей — как поскорее довезти пассажиров до… аэродрома. Ведь уже сейчас иной раз пассажиры затрачивают больше времени на поездку из города на аэродром, чем на перелет за сотни километров!
Но эти успехи воздушно-реактивных двигателей в авиации — только первые шаги. Впереди их ждут еще более блестящее будущее, еще большие скорости полета: 3-4-5 тысяч километров в час. И очень интересно, что при таких больших скоростях полета двигатель не только не станет более сложным, но, наоборот, предельно упростится.
Сложность турбореактивного двигателя связана главным образом с его движущимися, вращающимися частями: компрессором и турбиной. Именно они, с одной стороны, уменьшают надежность двигателя, а с другой — ограничивают возможность дальнейшего увеличения его тяги, а значит, и возможность дальнейшего увеличения скорости полета. Но, к сожалению, без компрессора, а следовательно, и без турбины обойтись пока нельзя: для того чтобы двигатель мог работать, развивая большую тягу и расходуя мало топлива, нужно сжимать воздух, увеличивать его давление в камере сгорания. И вот оказывается, что при полете со скоростью, в 3–4 раза превышающей скорость звука, компрессор становится лишним: удается получить нужное высокое давление воздуха в двигателе и без его помощи.
Секрет здесь прост. Почему, когда высовываешься из окна вагона быстро мчащегося поезда, спускаешься на лыжах с крутой горы или с разбегу прыгаешь с высокого трамплина, воздух становится таким упругим? Отчего перехватывает в этих случаях дыхание, какая сила бьет с размаху в грудь и лицо? Почему таким страшным становится обыкновенный ветерок, когда он с силой урагана набрасывается на деревья, строения, людей, срывая крыши с домов, опрокидывая железнодорожные вагоны?
Реактивные самолеты: вверху — военный, внизу — пассажирский («ТУ-104»).Эта сила рождается, когда стремительно мчащийся воздух задерживается неожиданным препятствием, внезапно и резко останавливается, прерывая свой бешеный бег. Вся мощь, вся кинетическая энергия воздуха затрачивается в этих случаях на его сжатие, на увеличение давления, создавая так называемый скоростной напор. Он-то и валит с ног людей и ломает деревья.
Что же происходит, когда в воздухе мчится с огромной скоростью, быстрее любого урагана, реактивный самолет? Воздух, врывающийся с этой скоростью в двигатель, почти останавливается внутри него. Легко представить себе, каким большим оказывается при этом скоростной напор воздуха. И все же при тех скоростях, с которыми летают современные реактивные самолеты, этот скоростной напор еще не в состоянии создать нужного давления в двигателе, он только помогает компрессору.
Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя.Но когда скорость полета начинает значительно превышать скорость звука, то только в результате использования этого скоростного напора давление в двигателе может быть доведено до многих атмосфер и даже до десятков атмосфер.
Тогда в компрессоре, а следовательно, и в турбине не будет никакой надобности. Турбореактивный двигатель превратится, по существу, в одну, летящую с огромной скоростью топку, в летающую трубу, вовсе не имеющую движущихся частей. И, несмотря на эту свою простоту, такой прямоточный воздушно-реактивный двигатель будет при этих больших скоростях полета развивать при тех же размерах и гораздо меньшем весе, чем у современных турбореактивных двигателей, в десятки раз большую тягу и расходовать во много раз меньше топлива.[18] Неудивительно поэтому то внимание, которое уделяется прямоточным двигателям уже сейчас, для того чтобы эти двигатели стали широко применяться в сверхскоростной авиации завтрашнего дня.
Развитие авиационной реактивной техники уже привело к созданию воздушно-реактивных двигателей, способных работать сотни часов подряд, мощных, экономичных, легких. Это были бы замечательные двигатели для межпланетного корабля, если бы… если бы они вообще годились для него. Но они, конечно, не годятся, ибо нуждаются для своей работы (для сгорания топлива) в воздухе, а именно его-то и нет в мировом пространстве.
Значит, для межпланетного корабля нужен реактивный двигатель, сочетающий способность порохового (работать без воздуха) со способностью воздушно-реактивного (работать продолжительное время). Такой двигатель и был изобретен Циолковским.[19]
Глава 6
ЗАПРЯЖКА В ПОЛМИЛЛИОНА ЛОШАДЕЙ
Циолковский начал интересоваться проблемой межпланетного полета и, в связи с ней, реактивным движением в конце прошлого века. В архиве ученого обнаружена не опубликованная им статья «Свободное пространство», написанная в 1883 году. В этой статье рассматриваются принципы реактивного полета в мировом пространстве.
В 1895 году Циолковский начал работать над повестью «Вне Земли», в которой в качестве межпланетного корабля описывается ракета.
В 1903 году появилась первая печатная работа Циолковского о ракетах как средстве осуществления межпланетных полетов. Это была статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованная в журнале «Научное обозрение» № 5 за 1903 год. Появление этой статьи означало официальное рождение новой науки — ракетной астронавтики. При дальнейших многократных переизданиях статьи, начиная с 1924 года, она получила название «Ракета в космическое пространство».
Циолковский в этой классической статье наряду с разработкой теории межпланетных полетов изложил проект межпланетного корабля с изобретенным им жидкостным ракетным двигателем. Именно этому двигателю суждено решить проблему космического полета, ибо только он счастливо сочетает в себе возможности удовлетворения всех противоречивых требований, предъявляемых к двигателю межпланетных кораблей. Одного этого изобретения было бы достаточно, чтобы обессмертить имя Циолковского.
