Пока скорость полета самолетов была относительно небольшой, авиацию вполне устраивал поршневой двигатель, а применение реактивных было бы невыгодным. Но вот скорость сильно выросла, поршневой двигатель стал сдавать — и все взоры обратились к двигателю реактивному.
Но авиационный реактивный двигатель должен, очевидно, во многом отличаться от двигателей реактивной артиллерии, и в первую очередь тем, что он должен обеспечивать длительный полет. Уже не секундами, как у пороховых реактивных двигателей, а часами должна измеряться продолжительность работы реактивного двигателя самолета. В этом случае все топливо нельзя разместить в камере сгорания, как в пороховом двигателе, а его нужно подавать туда небольшими порциями. Следовательно, топливо для авиационного двигателя не должно быть твердым. Но это еще не все, — такой двигатель должен расходовать мало топлива, то есть быть экономичным, чтобы обычных запасов топлива на самолете было достаточно для сравнительно продолжительного полета.
Двигатели, удовлетворяющие этим требованиям, известны. Это так называемые воздушно-реактивные двигатели. Они работают не на твердом, а на жидком топливе и используют для сжигания его кислород из атмосферы. В результате этого продолжительность их работы неизмеримо больше, чем пороховых двигателей.
Первые проекты воздушно-реактивных двигателей появились в ряде стран, в том числе и в нашей, еще в прошлом веке.
В 1867 году русский изобретатель Н. Телешов запатентовал воздушно-реактивный двигатель с компрессором для сжатия воздуха. Этот двигатель он назвал теплородным духометом. Аналогичные двигатели были предложены за рубежом почти на полвека позже.
В мае 1884 года изобретатель Якубинский доложил на заседании воздухоплавательного отдела Русского технического общества свой первый в мире проект воздушно-реактивного двигателя, специально предназначенного для летательных аппаратов.
Талантливый инженер и изобретатель Кузьминский еще в 1897 году построил и испытал на катере, на Неве, первый в мире газотурбинный двигатель, весьма похожий по конструктивной схеме на двигатели современных реактивных самолетов.
Интересные проекты воздушно-реактивных двигателей разработали в начале XX века изобретатели Караводин, Антонович, Горохов и Никольский.
Конструктор Базаров в 1924 году получил авторское свидетельство на схему так называемого турбовинтового двигателя для самолетов, в котором тяга создается как винтом, приводимым в движение турбиной, так и реакцией струи вытекающих газов. Двигатели современных реактивных самолетов во многих основных элементах конструкции повторяют это предложение.
В 1932 году Циолковский, работавший и над проблемой применения реактивных двигателей в авиации, предложил так называемый двухконтурный турбореактивный двигатель. Конструкция такого двигателя была разработана в 1937 году инженером Люлька.
Это показывает, что многие типы воздушно-реактивных двигателей были созданы в нашей стране. У нас же были разработаны основы теории и расчета этих двигателей.
Еще в конце прошлого века Николай Егорович Жуковский в своих знаменитых работах «О силе реакции вытекающей и втекающей жидкости» (1882 и 1886 гг.) дал формулу для определения силы тяги, которой пользуются в настоящее время во всем мире. Ученик Жуковского академик Б. С. Стечкин в 1929 году опубликовал разработанную им впервые в мире теорию воздушно-реактивных двигателей.
Работники нашей реактивной техники гордятся этим первенством нашей страны в создании авиационных реактивных двигателей. Своим настойчивым и упорным трудом они завоевывают и в настоящее время качественное превосходство отечественной реактивной авиации над зарубежной. Двигатели, которые разрабатываются и строятся дружными коллективами советских ученых, конструкторов инженеров и рабочих, не имеют равных себе в мире. И в полной мере достойны этих двигателей наши замечательные реактивные самолеты, создаваемые прославленными авиационными конструкторами Туполевым, Микояном, Ильюшиным, Мясищевым, Яковлевым, Лавочкиным, Сухим, Антоновым и другими. Родина авиации и реактивной техники имеет могучую реактивную авиацию, охраняющую мирный труд нашего великого советского народа.
Если пороховой реактивный двигатель поражает своей простотой и не имеет ни одной движущейся части, то турбореактивный двигатель современного реактивного самолета представляет уже довольно сложную машину. Однако оба эти двигателя имеют одну и ту же задачу — развивать реактивную тягу, создаваемую струей вытекающих из двигателя газов.
Воздух, попадающий в турбореактивный двигатель через специальные воздухозаборные отверстия, сжимается в нем до давления в несколько атмосфер. Для этого служит специальная машина — компрессор. Это может быть центробежный компрессор, представляющий собой крыльчатку большого диаметра, вращающуюся с большим числом оборотов, либо осевой компрессор. Осевым он называется потому, что при сжатии в этом компрессоре воздух течет параллельно его оси, а не по радиусам от центра к периферии, как в центробежном компрессоре. Осевой компрессор представляет собой ряд колес с лопатками на ободе, вращающихся между рядами неподвижных лопаток.
В сжатый воздух в камере сгорания двигателя впрыскивается топливо, которым чаще всего является обычный керосин. Продукты сгорания топлива — раскаленные газы — поступают в газовую турбину и расширяются в ней, передавая лопаткам турбины часть своей энергии. Вследствие этого турбина вращается, развивая мощность, необходимую для приведения в действие компрессора. Именно для этой цели и предназначена турбина в двигателе, и поэтому она связывается с компрессором прочным стальным валом. Этот вал действительно должен быть прочным, так как мощность турбины и практически равная ей мощность компрессора в турбореактивных двигателях превышает иной раз 50 тысяч лошадиных сил.
Вытекающие из двигателя через реактивное сопло газы обладают значительной скоростью, намного превышающей скорость полета. Эта разница в скоростях и приводит к возникновению силы реакции, представляющей собой реактивную тягу двигателя. Сила реакции струи вытекающих из двигателя газов — вот та сила, которая заставляет лететь с большой скоростью реактивный самолет.
Турбореактивные двигатели, применяемые на современных самолетах, развивают тягу 5–7 тонн и более (по данным журнала «Интеравиа» № 10, 1958 г., и др.). Легко подсчитать, какую мощность развивает в полете двигатель подобной тяги. Так, мощность двигателя тягой 6000 килограммов при скорости полета 400 метров в секунду, что соответствует 1440 километрам в час, равна 32 тысячам лошадиных сил.
И это в то время, как наиболее мощные поршневые авиационные двигатели развивают по крайней мере в 8 раз меньшую мощность. А ведь поршневые двигатели имеют более чем полувековую историю развития.
Мало того: примерно четверть всей мощности, развиваемой поршневым двигателем, теряется бесполезно винтом, так что при мощности двигателя в 4000 лошадиных сил его полезная мощность составит примерно 3000 лошадиных сил. И вместе с тем такой двигатель будет иметь больший вес и большие размеры, чем турбореактивный двигатель, во много раз более мощный. Вот в чем секрет успеха реактивных двигателей в авиации.
А успех этот, кстати сказать, поистине необычайный. За несколько послевоенных лет вся скоростная авиация мира стала авиацией реактивной. Можно смело говорить о технической революции, вызванной в авиации применением реактивных двигателей.
Когда мы об этом говорим, то не можем не вспомнить с законной гордостью пророческие слова Циолковского, сказанные им еще тогда, когда к самой мысли о создании реактивных самолетов относились как к безудержной фантазии: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных». Эти вещие слова, сказанные четверть века назад, сбылись. Мы живем с вами в самом расцвете эры реактивной авиации.[17]
Достижения реактивной авиации поразительны. Ее возраст еще только немногим больше десятилетия, и все же «таинственный» звуковой барьер уже преодолен! И, как и следовало ожидать, ничего таинственного по ту сторону этого барьера не оказалось, по авторитетному свидетельству многократно побывавших там летчиков. Сейчас уже реактивные самолеты летают со скоростью, превышающей скорость звука в 2,5 и более раз.
Покоривший весь мир красавец реактивный пассажирский самолет «ТУ-104» за 3 часа переносит десятки пассажиров из Москвы в Лондон, за 11 часов — в далекий Владивосток. Пассажир, вылетевший утром из Петропавловска-Камчатского, в тот же день вечером слушает оперу в Большом театре в Москве — кто мог поверить в это еще несколько лет назад!
Новые пассажирские реактивные самолеты, выходящие сейчас на авиалинии, будут перевозить не десятки, а сотни пассажиров. Кто мог ждать что так скоро работникам нашей гражданской авиации придется задуматься над несколько необычной для них задачей — как поскорее довезти пассажиров до… аэродрома. Ведь уже сейчас иной раз пассажиры затрачивают больше времени на поездку из города на аэродром, чем на перелет за сотни километров!
Но эти успехи воздушно-реактивных двигателей в авиации — только первые шаги. Впереди их ждут еще более блестящее будущее, еще большие скорости полета: 3-4-5 тысяч километров в час. И очень интересно, что при таких больших скоростях полета двигатель не только не станет более сложным, но, наоборот, предельно упростится.
Сложность турбореактивного двигателя связана главным образом с его движущимися, вращающимися частями: компрессором и турбиной. Именно они, с одной стороны, уменьшают надежность двигателя, а с другой — ограничивают возможность дальнейшего увеличения его тяги, а значит, и возможность дальнейшего увеличения скорости полета. Но, к сожалению, без компрессора, а следовательно, и без турбины обойтись пока нельзя: для того чтобы двигатель мог работать, развивая большую тягу и расходуя мало топлива, нужно сжимать воздух, увеличивать его давление в камере сгорания. И вот оказывается, что при полете со скоростью, в 3–4 раза превышающей скорость звука, компрессор становится лишним: удается получить нужное высокое давление воздуха в двигателе и без его помощи.
Секрет здесь прост. Почему, когда высовываешься из окна вагона быстро мчащегося поезда, спускаешься на лыжах с крутой горы или с разбегу прыгаешь с высокого трамплина, воздух становится таким упругим? Отчего перехватывает в этих случаях дыхание, какая сила бьет с размаху в грудь и лицо? Почему таким страшным становится обыкновенный ветерок, когда он с силой урагана набрасывается на деревья, строения, людей, срывая крыши с домов, опрокидывая железнодорожные вагоны?
Эта сила рождается, когда стремительно мчащийся воздух задерживается неожиданным препятствием, внезапно и резко останавливается, прерывая свой бешеный бег. Вся мощь, вся кинетическая энергия воздуха затрачивается в этих случаях на его сжатие, на увеличение давления, создавая так называемый скоростной напор. Он-то и валит с ног людей и ломает деревья.
Что же происходит, когда в воздухе мчится с огромной скоростью, быстрее любого урагана, реактивный самолет? Воздух, врывающийся с этой скоростью в двигатель, почти останавливается внутри него. Легко представить себе, каким большим оказывается при этом скоростной напор воздуха. И все же при тех скоростях, с которыми летают современные реактивные самолеты, этот скоростной напор еще не в состоянии создать нужного давления в двигателе, он только помогает компрессору.
Но когда скорость полета начинает значительно превышать скорость звука, то только в результате использования этого скоростного напора давление в двигателе может быть доведено до многих атмосфер и даже до десятков атмосфер.
Тогда в компрессоре, а следовательно, и в турбине не будет никакой надобности. Турбореактивный двигатель превратится, по существу, в одну, летящую с огромной скоростью топку, в летающую трубу, вовсе не имеющую движущихся частей. И, несмотря на эту свою простоту, такой прямоточный воздушно-реактивный двигатель будет при этих больших скоростях полета развивать при тех же размерах и гораздо меньшем весе, чем у современных турбореактивных двигателей, в десятки раз большую тягу и расходовать во много раз меньше топлива.[18] Неудивительно поэтому то внимание, которое уделяется прямоточным двигателям уже сейчас, для того чтобы эти двигатели стали широко применяться в сверхскоростной авиации завтрашнего дня.
Развитие авиационной реактивной техники уже привело к созданию воздушно-реактивных двигателей, способных работать сотни часов подряд, мощных, экономичных, легких. Это были бы замечательные двигатели для межпланетного корабля, если бы… если бы они вообще годились для него. Но они, конечно, не годятся, ибо нуждаются для своей работы (для сгорания топлива) в воздухе, а именно его-то и нет в мировом пространстве.
Значит, для межпланетного корабля нужен реактивный двигатель, сочетающий способность порохового (работать без воздуха) со способностью воздушно-реактивного (работать продолжительное время). Такой двигатель и был изобретен Циолковским.[19]
Глава 6
ЗАПРЯЖКА В ПОЛМИЛЛИОНА ЛОШАДЕЙ
Циолковский начал интересоваться проблемой межпланетного полета и, в связи с ней, реактивным движением в конце прошлого века. В архиве ученого обнаружена не опубликованная им статья «Свободное пространство», написанная в 1883 году. В этой статье рассматриваются принципы реактивного полета в мировом пространстве.
В 1895 году Циолковский начал работать над повестью «Вне Земли», в которой в качестве межпланетного корабля описывается ракета.
В 1903 году появилась первая печатная работа Циолковского о ракетах как средстве осуществления межпланетных полетов. Это была статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованная в журнале «Научное обозрение» № 5 за 1903 год. Появление этой статьи означало официальное рождение новой науки — ракетной астронавтики. При дальнейших многократных переизданиях статьи, начиная с 1924 года, она получила название «Ракета в космическое пространство».
Циолковский в этой классической статье наряду с разработкой теории межпланетных полетов изложил проект межпланетного корабля с изобретенным им жидкостным ракетным двигателем. Именно этому двигателю суждено решить проблему космического полета, ибо только он счастливо сочетает в себе возможности удовлетворения всех противоречивых требований, предъявляемых к двигателю межпланетных кораблей. Одного этого изобретения было бы достаточно, чтобы обессмертить имя Циолковского.