Главная > Разное > Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Космический полет

Размышления о космическом полете почти так же стары, как размышления о полетах с работающим двигателем в атмосфере. Легенды и художественная литература содержат много более или менее фантастических описаний полетов на Луну, вокруг Луны или на другую планету. Некоторые авторы по истории науки приписывают Сирано де Бержераку [17] предсказание о реактивном движении как средстве космического полета, сделанное еще в 1648 или 1649 году, когда он написал свое повествование о путешествии на Луну. В конце прошлого века немецкий учитель математики Курт Ласвиц написал широко читаемый межпланетный роман [18], в котором, по свидетельству сына автора, впервые упоминается космическая станция. Однако эта станция — не спутник, вращающийся вокруг Земли; она была подвешена между Марсом и Землей в точке, где уравновешены гравитационные силы. Вскоре после этого, в 1903 году, Константин Эдуардович Циолковский, русский учитель математики, описал обтекаемый, приводимый в движение ракетой летательный аппарат для космического полета, в котором в качестве ракетного топлива использовались жидкий кислород и водород [19]. Возможно, он был первым человеком, который обосновал свой проект на разумных принципах. Его предложение включало гироскопическое управление и отражатель газовой струи для навигации в космосе.

В этой книге мне невозможно даже упомянуть многие из наиболее интересных и относительно серьезных публикаций по этой проблеме. Однако я должен назвать Роберта X. Годдарда (1882-1945), который в 1919 году в США изучал методы достижения максимальных высот [20] и Германа Оберта, который в 1923 году в Германии опубликовал книгу по ракетным двигателям для межпланетного полета [21]. Оберт смог вдохновить группу молодых людей для работы над конструкцией ракетного двигателя; эта группа сыграла решающую роль в создании реактивного снаряда Фау-2 во время последней мировой войны. По-видимому, у Оберта было мало возможностей непосредственно участвовать

в разработке этого реактивного снаряда, который определенно представляет значительный шаг вперед в направлении создания ракет дальнего действия и высотных ракет. Снаряд Фау-2 все еще удерживает рекорд высоты для одиночного летательного аппарата. Наибольшая высота (242 мили) была достигнута двухступенчатой ракетой, состоящей из Фау-2 и «ВАК Корпорал» (WAC Corporal); последний создал Франк Дж. Малина в Лаборатории реактивных двигателей, Калифорнийский технологический институт. Наиболее известными успехами Оберта были его книга, указанная выше, и фильм, созданный Фрицем Лангом на киностудии УФА (U. F. А) в Берлине (1929) и названный «Девушка на Луне», в котором Оберт являлся научным консультантом.

Вернер фон Браун сначала входил в ту группу молодых энтузиастов, кого прямо или косвенно вдохновил Оберт. Я убежден, что он также мог бы стать замечательным консультантом в любом фильме Голливуда, снятым на тему космического полета. Однако следует также признать его заслуги в качестве вдохновителя и организатора проекта Фау-2 (под руководством генерала Вальтера Дорнбергера), а также вдохновителя идей космических полетов в США.

«Чего мы ждем?» — говорит фон Браун. «Это будет стоить только пять миллиардов долларов! Здесь нет проблем, на которые у нас не было бы ответов или возможности найти их прямо сейчас». Дилетант изумлен, а специалисту остается только поражаться. Мне не хочется быть ни слишком большим скептиком, ни испытывать слишком большой восторг.

Тактико-технические расчеты для вертикального полета ракеты, стартующей с земли, и ракеты, служащей спутником Земли, выполнили несколько авторов. Вторая космическая скорость т. е. скорость необходимая для выхода из сферы притяжения Земли, грубо оценена простым уравнением которое уравнивает кинетическую энергию единицы массы и работу, необходимую для движения единичной массы от расстояния R к бесконечности против силы притяжения, пренебрегая всеми другими видами сопротивления. Если заменить д значением гравитационного ускорения на поверхности Земли, a R радиусом земного шара, то получим порядка 7 миль в секунду.

Скорость искусственного спутника отчасти зависит от высоты, на которой, как предполагается, будет постоянно совершать полет этот спутник. Если летательный аппарат двигается по круговой траектории

радиуса то его скорость должна быть достаточно велика, так чтобы центробежная сила равнялась гравитационному ускорению на этой высоте. Если мы возьмем миль, скорость спутника примерно 5 миль в секунду, то круговая орбита будет пересечена примерно за 2 часа. Различные авторы также рассчитали траектории спутников, ведущие от первоначального вертикального полета к круговой траектории.

Основной вопрос заключается в том, сможем ли мы создать ракетный двигатель, который бы достигал таких огромных скоростей. Малина и Саммерфильд [2] на основе экстраполяции данных ракетной технологии в 1946 году рассчитали соотношение требуемого веса ракетного топлива к первоначальному общему весу одиночной ракеты для достижения второй космической скорости. Они получили следующие значения, соответствующие различным смесям компонентов ракетного топлива:

Анилин + азотная кислота — 0,995

Кислород + спирт — 0,991

Жидкий кислород + жидкий водород — 0,960

Эти цифры означают, что даже в случае лучшей смеси компонентов ракетного топлива только 4% первоначального веса остается в распоряжении для конструкции и полезной нагрузки. Очевидно, что за исключением возможного использования ядерной энергии, одиночная ракета не имеет шанса преодолеть гравитационное поле Земли. Здесь остается возможность «многоступенчатой» ракеты, т. е. устройства, в котором части конструкции после сжигания переносимого в них ракетного топлива отпадают и остается только последняя «ступень», которая выполняет задачу космического летательного аппарата. Многоступенчатую ракету для космических полетов предложил Циолковский. До него ее предлагал французский врач, известный под именем Андре Бинг (1911), в целях исследования на больших высотах. Само понятие, по-видимому, намного древнее; о нем упоминается в Энциклопедии Дидро и Даламбера.

Значительное количество авторов выполнили более или менее подробные и более или менее надежные расчеты о возможном относительном весе топлива. Читатель может, например, обратиться к книге Уилли Лея, Ракеты, реактивные снаряды и космический полет (Willy Ley, Rockets, Missiles and Space Travel) [23], где содержится много интересной исторической и технической информации. Результат этих вычислений

вкратце следующий: для того, чтобы достичь скорости освобождения, трудно избрать лучший способ, чем запустить составную ракету, состоящую из трех ступеней, где начальный стартовый вес примерно в шестьдесят четыре раза больше, чем продукт сгорания, который полетит в огромные безвоздушные пространства Вселенной.

Итак, даже если начальный вес пилотируемой космической ракеты при первой мысли представляется огромным, то следует настроить свой ум на все большие и большие цифры. Однако давайте послушаем критика в лице Милтона У. Розена [24], возглавляющего один из важнейших проектов по реактивным снарядам в Военно-морском флоте Соединенных Штатов:

«Высота — это первичный фактор в любом рассмотрении возможности осуществления полета пилотируемой, возвращающейся на землю ракеты...

В соответствии с недавними неофициальными, но надежными докладами, «Дуглас Скай-рокет» (Douglas Sky-rocket) (самолет с ракетным двигателем) достиг высоты 15 миль, и его пилот безопасно вернулся на поверхность земли. В таком случае доказана возможность полета на высоту 15 миль. Больше ничего не надо говорить.

Можно доказать возможность осуществления полета, возвращающейся на землю ракеты с человеком на борту, которая достигает высоты в пределах 15-50 миль, даже если этих высот никогда еще не достигал человек. Созданы ракеты, которые могут подниматься на высоту 50 миль и которые могут нести необходимую полезную нагрузку, предполагающую перевозку человека. Значение 50-мильной высоты состоит в том, что снижение с использованием парашюта было успешным намного ниже этой высоты. Целые ракеты ВАК Корпорал (WAC Corporal) и приборные отсеки от Аэроби (Aerobees) снижались с помощью парашюта с высоты, доходящей до 50 миль. Более того, ускорения,

встретившиеся при наборе высоты на активном участке, находились в допустимых пределах для человека. Максимальная скорость достаточно низкая, поэтому при вертикальном наборе высоты поверхностная температура летательного аппарата не подвергнет испытанию функциональные возможности известных материалов и методов конструирования. Наиболее важная особенность полета на высоту менее 50 миль заключается в том, что продолжительность полета оказывается короткой, порядка нескольких минут. По этой причине многие трудные проблемы, которые возникают в полетах на больших высотах, можно проигнорировать, если предел высоты ограничен только 50 милями. Эти проблемы включают воздействие на летательный аппарат и пассажиров космической и солнечной радиации, метеорных столкновений и свободного падения в вакууме ...

Выше 50 миль положение прямо противоположное. Попытки снижения с использованием парашютных средств успеха не принесли. В зависимости от высоты, которую следует достичь, ускорения могут оказаться выше пределов выносливости человеческого организма, а поверхностные температуры летательного аппарата выше точек плавления доступных материалов. Ракеты «Викинг» (Viking), которые достигали высоты 136 миль, могли бы перевозить человека, но никто не может гарантировать его безопасного возвращения. Более того, никто не мог рассчитать вероятность его выживания: здесь слишком много «неизвестных». Например, если продолжительность полета велика, то должно учитываться влияние космической и солнечной радиации, но природа и величина этой радиации в открытом космосе еще совершенно не определены, и мы только начинаем изучать их влияние на живые клетки. Еще один риск, который трудно оценить, — это опасность метеорных столкновений; хотя этому риску дана оценка, и предложены различные схемы защиты для его устранения, но ни одна из них еще не проверена. Невозможно предсказать физиологическое и психологическое влияние на человека невесомости — обычного

состояния в космическом полете, но редко встречающегося в нашей земной жизни.

Следует упомянуть еще одну основную проблему — проблему безопасного возвращения на Землю или приземления на каком-либо небесном теле. Любая ракета, возвращающаяся из космического полета, входит в атмосферу с огромной скоростью. На таких скоростях, вероятно даже в самом разреженном воздухе, поверхность нагреется выше температуры, переносимой любым известным материалом. Проблему температурного барьера преодолеть намного труднее, чем проблему звукового барьера. Даже если была бы возможность обеспечить постепенный вход в атмосферу, приближаясь к земле с помощью точного управления вдоль спиральной траектории, то невозможно добиться возвращения без использования ракетной мощности в качестве тормоза. Конечно, это означает огромное количество запаса топлива. К сожалению, мы не можем подражать Луциану Самосатскому (Lucian of Samosata) (второй век н.э.), который заставил своего героя, космического путешественника Мениппа (Menippus), вернуться на землю очень простым способом: бог Меркурий взял его за правое ухо и положил на землю.

Медицинская или биологическая проблема длительного существования в гравитационном поле практически нулевой интенсивности — невесомое существование — может оказаться серьезной, и исследования в этом направлении, по-видимому, крайне желательны. Медики могут быть иногда слишком осторожными. Из Истории аэронавтики Вивиана и Марша [25] мы узнаем, что во времена воздушных шаров братьев Монгольфье врачи беспокоились о высотных эффектах, поскольку общее мнение было таковым, что атмосфера не простирается выше четырех-пяти миль над поверхностью земли. Поэтому однажды в 1783 году они поместили петуха, овцу и утку в качестве пассажиров воздушного шара, подъем и спуск которого занял восемь минут. Утка и овца пережили полет удовлетворительно, но на петуха явно повлияла разреженность атмосферы. Однако позже выяснилось, что овца затоптала петуха, нанеся больше физических ран, чем мог бы причинить разреженный воздух.

Вернемся к вопросу летно-технических характеристик. Мне кажется, что использование ядерной энергии сделает ракету настолько более

эффективной, что серьезные попытки создания космического корабля должны дождаться появления ядерной ракеты. Для ракеты, использующей водород в качестве рабочего топлива и ядерный реактор как источник тепла, удельный импульс рабочей жидкости можно легко увеличить в несколько раз по сравнению с существующими значениями обычного ракетного топлива, без значительного повышения температур, которые воздействовали бы на стенки ракеты. Дальнейшие разработки использования ядерных процессов для ракетных двигателей могут внести еще большие усовершенствования.

Между тем, основные исследования в аэродинамике и физике разреженных ионизированных газов, постепенное исследование наибольших высот, достигаемых метеорологическими ракетами, изучение влияния радиации на материалы и человека, изучение проблем навигации и ориентации на больших высотах и в космосе, совершенствование непилотируемых ракет, постепенно ведущее к созданию искусственного спутника, должны предоставить поклонникам космических полетов много работы. Я не верю в безрассудное содействие. С другой стороны, я полагаю, что «уважаемые» научные и инженерные общества не должны закрывать свои двери перед астронавтами или страницы своих журналов перед статьями, посвященными проблемам космического полета. Сегодняшние общества обладают довольно высоким научным уровнем, особенно если сравнить их с деятельностью некоторых обществ по аэронавтике только двадцать пять лет назад до первого «механического» полета.

Возможно, что усилие, необходимое для перехода от сегодняшней высотной ракеты большой дальности действия к пилотируемой космической ракете, является не большим, чем усилия, которые привели от самолета братьев Райт 1903 года к сегодняшним сверхзвуковым самолетам. Этот прогресс достигнут благодаря мышлению и усилиям двух поколений инженеров-практиков и ученых-теоретиков. Я доволен, если мне удалось схематически представить некоторые из этих задач на страницах этой книги.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление