Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня

Не менее серьезные задачи возникают и перед аэродинамиками. Нужно научиться точно рассчитывать аэродинамический нагрев быстролетящего самолета, определять температуру поверхности в любой точке. Для этого надо детально исследовать процессы, происходящие в пограничном слое. В частности, теплопередача в условиях полета в разреженной атмосфере с большой скоростью подчиняется иным законам, чем при полете в обычном, плотном воздухе. Необходимо также уточнить роль излучения тепла нагретым крылом в окружающую атмосферу. Некоторые данные позволяют считать, что такое излучение при его умелом использовании сможет значительно снизить температуру поверхности крыла и этим существенно отодвинуть «тепловой барьер».

Нужно найти и наивыгоднейшие формы самолета, чтобы уменьшить аэродинамический нагрев. Так, оказывается, что эти формы вовсе не всегда соответствуют минимальному лобовому сопротивлению. В частности, острая передняя кромка крыла, напоминающая лезвие ножа и характерная для современных сверхзвуковых самолетов, должна будет, вероятно, снова уступить место закругленной, овальной кромке. Сопротивление при этом возрастет, но зато температура крыла будет ниже 4*.

Не менее важны задачи создания самолетного оборудования, работоспособного в условиях «теплового барьера». Ведь в современной авиации роль вспомогательного оборудования стала исключительно большой. Все эти многочисленные устройства навигационного оборудования, электро-, радио- и радарного оборудования и многие другие жизненно важны для самолета, без них невозможен полет. А между тем они очень чувствительны к своей рабочей температуре и выходят из строя при ее чрезмерном повышении. И здесь, очевидно, работа должна вестись в двух направлениях: во-первых, нужны исследования в области создания «жароупорного» оборудования, способного работать при повышенных температурах (эти трудные исследования настойчиво ведутся в ряде стран), и, во-вторых, разработка охлаждения оборудования в полете.

Но если для приборов и агрегатов возможны два варианта решения задачи, то, к сожалению, только один путь остается, когда речь заходит о летчике, экипаже самолета. Работоспособность экипажа самолета должна быть обеспечена созданием наиболее благоприятной для человека температуры. Так возникает проблема создания «искусственного климата» в кабине самолета.

Эта проблема не представляет чего-нибудь принципиально нового для техники. Довольно давно применяются, например, установки для создания «искусственного климата» в зданиях — театрах, гостиницах, магазинах, жилых домах. Применяются эти установки — они называются установками кондиционирования воздуха — ив железнодорожных пассажирских вагонах и даже в автомобилях. Но задача авиационных установок подобного рода оказывается неизмеримо сложнее.

Наиболее широкое распространение в авиации получили установки кондиционирования, в которых воздух охлаждается при расширении в специальной турбине. В кабину самолета, изолированную от окружающей атмосферы, он поступает обычно из компрессора двигателя. Практически на всех высотах давление воздуха за компрессором еще достаточно для этого велико — ведь компрессор сжимает воздух раз в десять, а то и больше. Но и температура за компрессором при таком сжатии тоже сильно повышается и достигает 350–500°. Для охлаждения воздух из компрессора сначала пропускают по трубкам теплообменника, снаружи которых течет атмосферный воздух. А затем охлажденный воздух поступает в крохотную воздушную турбинку, вращающуюся со скоростью 100 тысяч и даже более оборотов в минуту. При расширении в турбинке давление воздуха снижается, тем самым снижается и его температура, так как турбинка совершает полезную работу, — ее мощность чаще всего расходуется на вращение вентилятора, который гонит атмосферный воздух через упомянутый выше теплообменник, улучшая этим предварительное охлаждение кабинного воздуха.

Теперь остается подать охлажденный до нужной температуры воздух в кабину самолета, предварительно увлажнив или осушив его, чтобы и влажность воздуха в кабине была тоже «комфортной». Нечего говорить, что нормальным должно быть и давление воздуха в кабине вне зависимости от высоты полета. Конечно, все эти процессы осуществляются автоматически, ими управляют довольно сложные регуляторы.

Установки для охлаждения с помощью воздушной турбинки — турбохолодильники — получаются очень компактными, легкими и вместе с тем способными поддерживать охлаждение воздуха в кабине огромного многоместного самолета, — так велика их «холодопроизводительность». Но, увы, они не пригодны для авиации завтрашнего дня. Ведь атмосферный воздух, которому передает свое тепло воздух, идущий из компрессора в кабину, при больших скоростях полета приобретает столь высокую температуру, что способен лишь нагреть кабинный воздух.

Вот почему сейчас интенсивно исследуются другие возможности кондиционирования воздуха. Так, например, бесспорные перспективы имеют установки с «теплоносителями» — хладоагентами, которые испаряются и при этом отводят тепло от кабинного воздуха. Именно такие системы нашли наиболее широкое применение для комнатных и различных других стационарных холодильников. В них испаряется аммиак, фреон или другой хладоагент — и при этом охлаждается воздух в камере холодильника. Правда, для авиации придется подобрать такой хладоагент, который был бы пригоден при высоких температурах «теплового барьера». Ученые создают и исследуют десятки, сотни различных веществ, стремясь найти наилучший хладоагент для авиации будущего.

Если полет кратковременный, то хорошие результаты можно получить, используя так называемую испарительную систему охлаждения. В этом случае кабинный воздух отдает свое тепло (до расширения в турбохолодильнике) какой-нибудь жидкости, свободно испаряющейся в атмосферу. Конечно, жидкость безвозвратно теряется, но если полет с большой скоростью не очень продолжителен, то это не так уж страшно.

Трудно даже перечислить все направления, по которым ведется в настоящее время штурм, точнее — подготовка к штурму «теплового барьера». Тут и теплоизоляция самолета слоями специального материала; и охлаждение обшивки самолета методом «выпотевания» (обшивка делается пористой, и через нее выдавливается охлаждающая жидкость, испаряющаяся на поверхности); и такая защита поверхности, когда на нее заранее в наиболее опасных местах наносятся слои вещества, которое «погибнет» само — расплавится или даже, может быть, испарится, — но зато спасет жизненно важные части самолета.

Проблемы охлаждения «сверхзвуковых самолетов» еще ждут своего решения. И это решение будет найдено.