Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня

Здесь придется рассказать еще об одном свойстве воздуха — его вязкости.

Мы знаем так называемые вязкие жидкости — густой вар, мед, смолу. В отличие от воды или керосина эти жидкости тягучи, текут медленно, их частицы как бы связаны друг с другом. Так и есть на самом деле — именно межмолекулярные силы сцепления делают такие жидкости вязкими.

Но воздух? Разве воздух похож на смолу?

Да, похож.

Конечно, силы связи между частицами воздуха неизмеримо меньше, чем в смоле, но они все же есть. И бывают случаи, когда они обнаруживают себя сильнее, заметнее. Таким случаем и является полет скоростного самолета.

Когда в воздухе движется какое-нибудь тело, оно уносит с собой частицы воздуха, непосредственно прилегающие к его поверхности. Эти частицы как бы прилипают к поверхности тела и остаются неподвижными относительно нее.

Ну, а следующий слой воздуха, соседний с этим первым, будет обладать полной скоростью потока, то есть той скоростью, с которой движется тело? И все остальные слои воздуха тоже? Тогда скольжение воздушных слоев будет происходить только непосредственно у самой поверхности тела, там где самый первый, неподвижный слой соседствует со следующим, обладающим полной скоростью потока?

Да, дело обстояло бы именно так, если бы воздух не обладал вязкостью, если бы между частицами воздуха не существовало сил сцепления, которых мы обычно не замечаем. В действительности же частицы тончайшего слоя воздуха, непосредственно прилегающего к слою «прилипшему», застывшему на поверхности движущегося тела, будут притягиваться к частицам этого неподвижного слоя. Поэтому они не смогут двигаться с прежней скоростью, то есть с полной скоростью потока относительно тела. Их скорость будет значительно меньше.

Но то же самое произойдет и с частицами следующего слоя, прилегающего уже не к неподвижному, а к соседнему с ним слою, движущемуся с малой скоростью. Понятно, что скорость частиц этого второго слоя будет уже несколько больше.

Так от слоя к слою будет расти скорость частиц воздуха, пока на некотором расстоянии от поверхности тела она не станет практически равной скорости так называемого свободного потока относительно тела, или, что все равно, скорости самого движущегося тела. В отличие от этого свободного потока, прилегающие к поверхности слои воздуха называют пограничным слоем.

Легко видеть, какое огромное влияние оказывают свойства пограничного слоя на характер движения тела. По существу, изучение пограничного слоя — главное в аэродинамике.

В частности, например, особый интерес в последнее время вызывает проблема управления пограничным слоем на крыле самолета. С помощью специальных щелей можно изменять свойства пограничного слоя на поверхности крыла, если через эти щели подавать изнутри воздух под давлением или, наоборот, отсасывать воздух из пограничного слоя внутрь крыла. Управление пограничным слоем, проблему которого сейчас решают ученые, намного улучшит летные характеристики самолета и, несомненно, найдет широкое применение в авиации будущего 1*.

Но нас сейчас интересует другое. Если в пограничном слое скорость движения частиц воздуха уменьшается из-за силы вязкости, значит, их кинетическая энергия уменьшается, как и при простом торможении. Куда же она девается? Ведь исчезнуть энергия не может? Нет. Она переходит в тёпло, точно так же, например, как переходит в тепло работа трения твердых тел.

Значит, вся поверхность быстродвижущегося тела оказывается окруженной раскаленным воздухом. Правда, температура задней кромки крыла будет несколько меньше, чем передней. Ведь спереди воздух останавливается, тормозится полностью, а сзади его скорость лишь постепенно уменьшается до нуля. Но все же спасительной отдачи воздуху тепла от задней поверхности крыла не происходит.

Так рост скорости полета выдвигает перед авиацией поистине грозную перспективу: оказывается, скоростной полет должен неизбежно протекать в раскаленном воздухе. Пусть на улице мороз в 60 или даже больше градусов, каким он бывает на высоте 10–11 километров, — самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, будет находиться как бы в раскаленной печи. И чем больше скорость полета, тем выше температура в этой печи.

Но разве может самолет совершить такой полет хоть сколько-нибудь длительный? Металлы, из которых он построен, расплавятся или даже испарятся; а ведь им достаточно только потерять свою прочность, что всегда бывает при нагреве, чтобы самолет рассыпался в воздухе. Летчик в кабине такого самолета неминуемо погибнет от жары. Все оборудование самолета — электрическое, радио, электронное, гидравлическое — выйдет из строя. Топливо воспламенится, резина сгорит, различные рабочие жидкости испарятся. Да и как тут не вспомнить о судьбе мириадов небесных камней, с огромной, космической скоростью врывающихся в земную атмосферу и сгорающих, Испаряющихся в ней, — «падающих звезд»!

А ведь судьбу метеоритов разделило уже немало их искусственных собратьев — высотных ракет и искусственных спутников Земли. Они закончили свой жизненный путь в плотных слоях атмосферы, врываясь в нее с огромной скоростью на обратном пути из космоса. Земной поверхности достигали в этих случаях только отдельные оплавленные обломки, немые свидетели полыхавшего в небе пламени. Багровое пламя, лизавшее стенки кораблей-спутников «Восток», видели их космические капитаны, когда направляли свои корабли на посадку. Это пламя все-таки появлялось, хотя предварительно скорость кораблей была намного уменьшена с помощью тормозных двигателей. Скорость полета самолетов неумолимо и быстро приближается к этой роковой черте. В рекордных полетах самолета «Х-15», о которых говорилось выше 2*, температура обшивки достигала 760°!

Так на пути развития авиации возникает новый и, судя по всему, страшный «барьер», получивший название «теплового». Но этот новый барьер имеет одно принципиальное отличие от старого, звукового. «Звуковой барьер» действительно напоминает барьер тем, что связан с узкой зоной скоростей полета: перешагни через эту опасную полосу — и барьер позади.

Новый «барьер» гораздо хуже. Это скорее не барьер, а огромная гора, круто поднимающаяся в небо, и чем дальше (то есть чем больше скорость полета) — тем круче, так что и конца ей нет.

Как же преодолеть «тепловой барьер»? Какие пути решения этой сложнейшей задачи видит авиационная наука, какие средства она для этого предлагает?

Существует одно радикальное средство — высота полета. Чем выше, тем больше допустимая скорость.

Легко понять, почему это так. Тепло, сообщаемое воздухом поверхности быстролетящего самолета, представляет собой, по существу, как уже говорилось выше, кинетическую энергию мириадов частиц воздуха, тормозящихся у этой поверхности. Но ведь если число этих частиц действительно огромно у земли, в плотной атмосфере, то с высотой оно быстро уменьшается. Поэтому уменьшается и тепло, сообщаемое самолету в результате аэродинамического нагрева. Дело не меняется даже от того, что на больших высотах скорость беспорядочного, так называемого теплового движения каждой частицы оказывается очень большой, то есть температура воздуха — очень высокой, достигающей сотен и даже тысяч градусов. Если бы воздух при такой температуре был к тому же и плотным, то на этих высотах стал бы невозможен не только скоростной, но и вообще любой полет. Эта «огненная завеса» заставила бы надолго, если не навсегда, распроститься с идеей межпланетного полета.