Все выглядит иначе при полете быстрее звука. Обогнав порожденные им возмущения, самолет врезается в воздух, уплотняет его. Тонкий слой сжатого воздуха движется вместе с машиной. Давление в этом слое возросло резко, скачкообразно. Отсюда и его название – скачок уплотнения. Как гигантская гребенка, прочесывает скачок встречный воздух. Частицы воздуха с огромным трудом протискиваются «между зубьями гребенки». За счет трения уплотнившийся в скачке воздух нагревается. Вот и выходит, что большая часть мощности двигателей машины растрачивается понапрасну. Она уходит на бессмысленный и никому не нужный нагрев атмосферы.
Теперь всем все ясно, а тогда сверхзвуковой полет являл собой сплошную загадку. Вот почему оттиск работы Циолковского попал в Геттинген, к самому профессору Прандтлю, построившему для своих экспериментов сверхзвуковую аэродинамическую трубу.
Установка геттингенского профессора (один из немецких корреспондентов Циолковского прислал в Калугу ее описание) представляла собой два стальных резервуара объемом по 10 кубометров, соединенных трубой диаметром 0, 3 метра. Для проведения опыта Прандтль помещал модель внутри трубы, подле глухой перегородки. Затем давление в одном резервуаре поднималось до 10 атмосфер, а в другом – снижалось до минус одной атмосферы. Раздавался сильный взрыв. Разность давления сметала перегородку. Какое-то мгновение модель обтекалась с гигантской скоростью, а процесс обтекания фиксировался на пленку.
Способ рационален и остроумен (не зря он дожил и до наших дней). Циолковский жалел лишь об одном: такой эксперимент в домашней лаборатории не поставишь!
И, лишенный возможности экспериментировать, Константин Эдуардович иллюстрирует свою мысль опытом, поставленным самой природой. Как известно, пролетая сквозь атмосферу, метеориты накаляются и светятся. Циолковский подсчитал: при скорости 5 километров в секунду воздух уплотняется в 400 раз, а температура его доходит до 65 000°С. Космические гости мчатся еще быстрее – 50 километров в секунду, 180 тысяч километров в час – такова скорость метеорита, оставляющего горячий яркий след в ночной атмосфере.
Три десятилетия прошло с тех пор, как Циолковский заинтересовался аэродинамическим нагревом. Вокруг нашей планеты закрутились орбитальные космические корабли. Огненным вихрем встречала их на спуске воздушная рубашка планеты. И вот как выглядит эта встреча в протокольно точной записи Героя Советского Союза, летчика-космонавта Германа Титова:
«...„Восток-2“ вошел в плотные слои атмосферы. Его теплозащитная оболочка быстро накалялась, вызывая яркое свечение воздуха, обтекающего корабль. Я не стал закрывать шторки иллюминаторов – хотелось подробнее проследить за тем, что делается снаружи.
Нежно-розовый цвет, окружающий корабль, все больше сгущался, стал алым, пурпурным и, наконец, превратился в багровый. Невольно взглянул на градусник.– температура в кабине была нормальной: 22 градуса по Цельсию. Гляжу прищуренными глазами на кипящий вокруг огонь самых ярчайших расцветок. Красиво и жутковато. А тут еще жаропрочные стекла иллюминаторов постепенно желтеют. Но знаю, ничего опасного не произойдет: тепловая защита корабля надежна и многократно проверена в полетах».
Много событий отделяют догадки Циолковского от полетов советских космонавтов. Сначала возник звуковой барьер. Гибли летчики, рассыпались в воздухе самолеты. И лишь союз ученых с летчиками-испытателями позволил преодолеть этот воистину кровавый барьер и вторгнуться в царство высоких температур.
Высокая температура принесла авиационным конструкторам множество острых проблем, без разрешения которых главная цель жизни Циолковского – овладение космосом – так и осталась бы красивой, но, увы, бесплодной мечтой.
На самолетах появились холодильные установки (о необходимости охлаждать летательные аппараты предупреждал своих читателей Циолковский). Аэродинамики и гидродинамики углубились в анализ явлений, протекающих в пограничном слое. И как не вспомнить письмо из Берлина с оценкой аэродинамических размышлений Циолковского: «Эти исследования здесь еще малоизвестны, особенно трение воздуха как функции пограничного слоя...»
О борьбе с аэродинамическим нагревом можно было бы рассказать бездну интересного, поражающего воображение. Летательные аппараты защищает многослойная керамическая облицовка – броня, которая сгорает, не пропуская внутрь грозное тепло. Или потеющая обшивка – пористый материал, через который выдавливается легко испаряющаяся жидкость. За счет ее испарения тепло рассеивается. Увы, многого не расскажешь – слишком далеко пришлось бы уйти от основной темы. Однако есть проблемы, не упомянуть о которых просто невозможно. Среди них диссоциация и ионизация воздуха.
Явления, сопутствующие гиперзвуковым скоростям, как принято называть скорости, в 5-6 раз превышающие звуковые, заставляют вторгнуться в дебри физики и химии. Чтобы не заблудиться в этих дебрях, поверим специалистам, которые предлагают представить атомы молекул газов, составляющих воздух, как бы связанными между собой пружинами. Чем больше скорость, тем чаще соударяются друг с другом молекулы, и ,наконец, межатомная «пружина» не выдерживает; она рвется. Разрушение молекул, неизбежно сопутствующее большим скоростям полета, называют диссоциацией. Разрыв молекул потребляет огромное количество энергии, и рост температур замедляется.
Шутка ли, расколоть за счет скорости полета молекулу на атомы. Однако этим дело не кончается. Вслед за диссоциацией воздуха начинается его ионизация. Летательный аппарат мчится еще быстрее, и процесс заходит еще глубже. При очень больших скоростях полета электроны отрываются от атомов. И атом, потерявший электрон, и атом, подхвативший его, и свободный электрон – все они несут электрические заряды. Их называют ионами. Отсюда и название процесса – ионизация воздуха.
При чрезвычайно больших температурах электроны оторвутся от всех ионов. Ионы превратятся в голые ядра. Незаметно для самих себя мы подошли к важному понятию современной физики – понятию плазмы.
Справедливости ради заметим, что при нынешних скоростях полета до плазмы дело не доходит. Процесс ограничивается лишь возникновением ионизированного воздуха. Однако этот воздух становится проводником электрического тока. А это значит, что на него можно воздействовать электрическими и магнитными полями. Отсюда возникновение новой науки – магнитоаэродинамики. Выросшая на стыке аэродинамики и атомной физики, она сулит подлинные чудеса.
В самом деле, разве не чудо, что ударная волна, десяток лет назад злейший враг летчиков и конструкторов, преодолевших звуковой барьер, может стать его союзником? А ведь человеческая мысль стремится превратить воздух в щит, побеждающий огонь.
