Этот порок органически присущ пороховому двигателю, так как в таком двигателе весь запас топлива — пороха — должен заранее находиться в камере сгорания, что сильно ограничивает величину этого запаса. Подача новых порций твердого топлива в камеру сгорания связана с исключительными трудностями и, несмотря на ряд изобретательских предложений этого рода, в частности того же Кибальчича, до сих пор не была осуществлена.
Между тем по мере развития авиации все сильнее стала ощущаться необходимость в новом двигателе для самолетов, который мог бы обеспечить достижение еще невиданных скоростей полета.
Увеличение скорости полета — это одна из важнейших задач, неизменно стоящих перед авиацией. В авиации не зря говорят, что «кто быстрее в воздухе, тот и сильнее в воздухе». Начиная с первого полета самолета Можайского и до наших дней во всем мире ведется настойчивая борьба за увеличение скорости полета. И если первые самолеты летали со скоростью 40–45 километров в час, то к началу минувшей войны скорость достигла уже 700–750 километров в час. Огромный прогресс!
И все эти годы авиации надежно служил поршневой авиационный двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение воздушный винт. Это был единственный тип двигателя, нашедший применение в авиации. Со времени полета первых самолетов этот двигатель прошел огромный путь развития. Его мощность выросла от нескольких десятков до нескольких тысяч лошадиных сил. Конструкция двигателя усовершенствовалась — он стал очень компактным и легким. Экономичность двигателя значительно улучшилась — он стал расходовать в несколько раз меньше топлива на каждую лошадиную силу. Надежность двигателя стала необычайной — он приобрел способность работать без перерыва многие сотни часов подряд.
Поршневой авиационный двигатель стал высокосовершенной машиной, одним из замечательных достижений техники, человеческого гения. Кто не знает блестящих побед авиации, достигнутых с помощью этого двигателя, — исторических перелетов Чкалова и Громова через Северный полюс, высотных полетов Коккинаки и многих других!
И, несмотря на это, к концу второй мировой войны слава поршневого двигателя начала меркнуть: все сильнее стало ощущаться, что этот двигатель становится тормозом на пути дальнейшего развития авиации. Несмотря на несомненные достоинства поршневого двигателя, уже отчетливо стал выявляться и его главный недостаток — он оказался непригодным для полетов с теми скоростями, которые требовались теперь от авиации. Никакие конструктивные усовершенствования не могли уже исправить дело. Этот двигатель пасовал перед новыми скоростями. Замена его двигателем другой системы стала неизбежной.
Когда самолет летит со все большей скоростью, ему приходится преодолевать все большее сопротивление воздуха. Но это значит, что и двигатель самолета должен развивать при этом все большую мощность, ибо работа, совершаемая двигателем, и затрачивается на преодоление сопротивления воздуха. К сожалению, поршневой авиационный двигатель развивает практически одну и ту же мощность вне зависимости от скорости полета. Если на аэродроме двигатель в состоянии развивать, скажем, 2000 лошадиных сил, то практически те же 2000 сил он будет развивать и в полете, когда самолет мчится со скоростью 600 или 700 километров в час. Если же установить более мощный двигатель, то он будет и более тяжелым, а это увеличит размеры самолета и, следовательно, снова повысит требования к мощности двигателя. Заколдованный круг, из которого выхода для поршневого двигателя нет!
Советский поршневой авиационный двигатель АШ-82.Кроме того, стал еще подводить и неизменный товарищ поршневого двигателя — воздушный винт. С увеличением скорости полета концы лопастей винта, вращающегося с очень большим числом оборотов, начинают двигаться в воздухе с такой огромной скоростью, что это делает работу винта малоэффективной. Все большая часть мощности двигателя тратится при этом винтом бесполезно из-за увеличения потерь, связанных со сжимаемостью воздуха, и все меньшая часть затрачивается на полезную работу продвижения самолета в воздухе. А ведь потребность в этой работе с ростом скорости полета все возрастает!
Наконец, обнаружилась и еще одна преграда, окончательно доконавшая поршневой двигатель. На пути увеличения скорости полета самолетов грозной невидимой стеной стал «звуковой барьер». Этот таинственный «порог» взволновал умы авиационников; ему посвящалось все большее число статей в специальных журналах, все большее количество научных исследований. Выяснилось, что по мере увеличения скорости полета, как это показали опыты в аэродинамических трубах, сопротивление, которое оказывает воздух летящему самолету начинает вдруг резко увеличиваться. Как будто какая-то незримая рука внезапно упирается в нос летящего самолета и мешает ему лететь с большей скоростью, тормозит его. Чем больше скорость полета, тем сильнее эта рука, и тем больше должна быть мощность самолетного двигателя, чтобы преодолеть ее тормозящее усилие. И без того мощность поршневого двигателя уже недостаточна, а тут еще такая напасть…
«Звуковой барьер».Как это неоднократно бывало и в других случаях, оказалось, что причины такого внезапного увеличения сопротивления воздуха с ростом скорости полета не только были предсказаны задолго до того, как самолеты стали его ощущать в полете, но и были подвергнуты весьма тщательному теоретическому исследованию.
Еще в прошлом веке ученый-артиллерист профессор Артиллерийской академии Н. В. Маиевский первым в мире указал на связь этого внезапного увеличения сопротивления со скоростью звука в воздухе, то есть с той скоростью, с которой распространяются в воздухе звуковые волны. В 1902 году вышло в свет блестящее научное исследование тогда еще молодого ученого Сергея Алексеевича Чаплыгина — будущего академика, ученика и друга Николая Егоровича Жуковского. Это исследование заложило основы теории полета со скоростями, приближающимися к скорости звука. Более трети века этот выдающийся труд Чаплыгина оставался, по существу, незамеченным и рассматривался лишь как оригинальное математическое исследование, пока развитие авиации не поставило перед наукой проблемы, оказавшиеся во многом уже решенными этой работой русского ученого.
Теперь уже хорошо известно, что по мере приближения скорости полета самолета к скорости звука в воздухе, равной примерно 340 метрам в секунду, или 1225 километрам в час,[15] сопротивление воздуха резко увеличивается. Чем ближе скорость полета к скорости звука, тем больше это дополнительное, так называемое волновое, сопротивление. При этом сам полет становится неустойчивым, самолет начинает вибрировать, управление им нарушается.
Немало пришлось потрудиться советским ученым-аэродинамикам, опиравшимся на идеи Чаплыгина, пока им удалось найти средства уменьшения неприятностей, связанных с полетом, скорость которого приближается к скорости звука. Результатами этих трудов являются и непривычно тонкие крылья скоростных самолетов,[16] и необычная форма этих крыльев, придающая современному скоростному самолету вид стремительно летящей стрелы, и многие другие особенности этих машин.
Стало окончательно ясно, что перешагнуть через скорость звука, пробить звуковой барьер с обычным поршневым двигателем не удастся, об этом нечего и мечтать. Авиация обратилась за помощью к реактивной технике.
Это был естественный и логичный шаг, ибо реактивные двигатели наиболее выгодны именно для высоких скоростей полета. В этом легко убедиться на примере хотя бы той же пороховой ракеты.
Представьте себе испытание такой ракеты на стенде. Двигатель работает, порох сгорает; из сопла ракеты с огромной скоростью вырываются раскаленные пороховые газы, но… все это напрасно, никакой полезной работы при этом двигатель не совершает. Действительно, ведь работа есть действие силы на некотором пути, а в данном случае сила имеется: это сила реакции струи вытекающих газов, но путь-то отсутствует — ракета неподвижна. Это все равно, как если бы, скажем, вам было велено передвинуть тяжелый ящик в сторону, метра на два. Сколько бы вы ни трудились, пытаясь сдвинуть этот ящик, вы бы еще полезной работы не совершили. Вот если бы ящик сдвинулся со своего места, то работа была бы совершена, именно работа, равная произведению вашего усилия на пройденный ящиком путь. Пока ящик неподвижен, затрачиваемая вами энергия теряется бесполезно.
Профиль крыла сверхзвукового самолета, предложенный К. Э. Циолковским.Но вот ракета полетела и мчится со все большей скоростью. Теперь уже работа ракеты совершается, она равна силе реакции струи газов, помноженной на пройденный ракетой путь.
