Вернер Альбринг - Городомля. Немецкие исследователи ракет в России

Господин Бласс, руководитель конструкторского отдела, и господин Тоебе, специалист по прочности, пришли ко мне и спросили о надежности моего расчета. Я еще раз все проверил и подтвердил, что при сжатии воздуха получаются те значения, которые я рассчитал. Конструктор и прочнист еще раз объяснили мне, насколько важно предварительно точно рассчитать температуру. Ведь прочность металла при повышении температуры уменьшается. По воспоминаниям инженера температура была такой высокой, что можно было ожидать потерю прочности. Однако рассчитанная мною температура лежала в области, которая не влияет на прочность материала. Я подумал: или инженер ошибается в своих воспоминаниях, или помимо сжатия окружающего воздуха есть и другие факторы, из-за которых обшивка ракеты может нагреваться. Во всяком случае, запрос вырос в постановку проблемы, которую уже нельзя было решить рутинными расчетами.

Я прервал все другие работы и несколько недель был занят только этой новой задачей. Я спрашивал себя: какого вообще самого большого значения температуры может достичь быстро летящее тело вследствие уплотнения воздуха? Ясно, что максимальная температура возникнет в головке ракеты, то есть в точке максимального давления. На основе законов термодинамики возникла простая формула. Если скорость полета возвести в квадрат, а затем ввести в расчет удельную теплоемкость воздуха, тогда можно рассчитать повышение температуры в передней критической точке, она равняется скорости в квадрате, деленной на две тысячи. Скорость полета ракеты Г-1, которая должна лететь на расстояние в тысячу километров, может достигать порядка двух тысяч метров в секунду. Тогда по моей формуле повышение температуры могло бы составить две тысячи градусов. Я ужаснулся этому результату. При такой высокой температуре плавится даже сталь. Мы же тогда думали о применении легких металлов в качестве материала для оболочки ракеты, все проекты ракеты Г-1 в Блайхероде были продуманы в этом направлении. Но эта температура могла повышаться за счет уплотнения воздуха только в одной-единственной передней критической точке. Я все еще был уверен в своей концепции. Во всех остальных местах, по моему тогдашнему воззрению, температура была намного ниже, такой, как я ее и рассчитал первоначально. Я спросил себя: есть ли еще какой-то физический фактор, который может повысить температуру? Да, есть — это трение. Трение воздуха о поверхность ракеты. Воздух, обтекающий ракету, тормозится в совсем тонком слое на ее поверхности, аэродинамики называют этот слой пограничным. Вся кинетическая энергия воздуха превращается в тепло и дает повышение температуры, которая соответствует ее значению в передней критической точке. Если учесть трение, а его нужно учитывать, тогда напрашивается вывод, что при полете в каждой точке корпуса ракеты, а не только в передней критической точке, может быть достигнута эта предельно высокая температура. И если бы ракетная оболочка нагревалась так же сильно, как и воздух, тогда было бы невозможно найти материалы, имеющие соответствующую теплостойкость.

Тем самым, для достижения дальности полета надо было использовать целую батарею ракет. Или, все-таки, это препятствие можно преодолеть? Я подумал, что до сих пор рассчитывал повышение температуры только воздуха, но, чтобы тепло от воздуха перешло к ракете, требуется определенное время. А ведь время полета ракеты очень непродолжительно. Активная фаза движения к началу восходящей ветви траектории полета, в то время, когда еще работает двигатель, длится не более одной минуты. Вполне возможно, что температура в оболочке в течение такого короткого времени, повышается не так сильно. Я должен был попытаться рассчитать разогрев оболочки при сверхзвуковом полете. Мне было неизвестно, делал ли кто-нибудь такие расчеты раньше. В Городомле в нашем распоряжении были только те книги, которые мы взяли с собой. Я нашел в одной из моих тетрадей старую работу Геттингенского теоретика Адольфа Буземанна, который рассчитал коэффициент теплопередачи от воздуха к стенке при высокой скорости полета для ламинарных пограничных слоев. Я применил этот расчет для турбулентного пограничного слоя, полагая, что он присутствует при полете ракеты. Я использовал работу гидроаэродинамика Теодора фон Кармана, который рассчитал теплопередачу на основании аналогии между элементарными уравнениями трения и теплопереноса. Результаты моего расчета показали, что в течение полета достигаются температуры, которые несколько ниже температуры в передней критической точке. Для нашей ракеты я мог из расчета баллистической траектории полета использовать мгновенные значения скорости и плотности воздуха и численным методом решить дифференциальное уравнение теплоотдачи. Результат расчета позволил увидеть, что тепло передается довольно медленно и что температура всей оболочки все же остается гораздо ниже температуры в передней критической точке. На восходящей ветви траектории полета она имеет более низкие значения, чем на нисходящей вблизи цели. Но и на восходящей ветви температура корпуса достигает такого значения, при котором обычные листы легких металлов, применяемые в авиастроении, могут потерять свою прочность. Значит, надо применять листовую сталь. Расчет показал, что теплообмен увеличивается с ростом произведения плотности воздуха на скорость полета. Вследствие этого разница между теплообменом на восходящей и нисходящей ветви траектории полета очень большая. При подъеме высокая скорость достигается на большой высоте, там плотность воздуха мала. Поэтому повышение температуры — умеренное. На нисходящей ветви, то есть вблизи цели, скорость остается примерно такой же, а плотность воздуха у поверхности земли имеет наибольшее значение. Там тепло передается корпусу ракеты очень интенсивно. В результате я получил температуры, которые могли бы разрушить даже стальную оболочку.

Таким образом, мне показалось, что причина «преждевременного взрыва в воздухе» ракеты А-4 найдена. И для еще более скоростной ракеты Г-1 с большей дальностью полета этот эффект мог бы стать непреодолимым препятствием и затруднил бы использование подобных ракет дальнего действия.

Выход предложил господин Греттруп, который воскресил старую идею инженеров из Пенемюнде, состоявшую в том, что передняя часть ракеты, то есть грузовая головка, несущая взрывчатое вещество, после пролета по восходящей ветви траектории отделяется от остального уже отработавшего корпуса ракеты. Только грузовая головка летит к цели, и только она имеет необходимую прочную оболочку. Отделившийся корпус ракеты cгорает в толстом слое земной атмосферы.