Космическая скорость в лаборатории

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Прежде чем опытный образец нового самолета оторвется от бетонированной дорожки аэродрома, он уже не один раз до этого побывает в полете. Вернее не сам самолет, а лишь его крошечный прототип, модель. Да и полет совершается не на безбрежных просторах воздушного океана, а в ограниченном пространстве аэродинамической лаборатории. И тем не менее этот «моделированный полет» позволяет конструктору выяснить целый ряд важнейших вопросов, на которые не могут дать достаточно точного ответа теоретические вычисления: какие силы действуют на самолет в полете, устойчив ли он в воздухе, легко ли поддается управлению и правильно ли выбран для него запас прочности? Все эти возможности открылись перед конструкторами летательных аппаратов только благодаря изобретению аэродинамических труб.

Созданные еще на заре развития авиационной техники, аэродинамические трубы вместе с ней прошли более чем вековой путь развития и совершенствования. И как не похожи друг на друга сверхзвуковые реактивные самолеты и винтомоторные летательные аппараты начала XX века, также резко отличаются современные аэродинамические трубы от первой «лопастной воздуходувки» Циолковского. Непрерывно увеличивая скорость создаваемого ими воздушного потока, аэродинамические трубы вместе с самолетами шагнули за «звуковой барьер» и вплотную приблизились к сверхзвуковым скоростям современных многоступенчатых ракет.

Сейчас ученые и конструкторы имеют в своем арсенале для исследований самые различные типы аэродинамических труб — от небольших настольных установок диаметром всего в один сантиметр до гигантских агрегатов, в которых могут испытываться даже самолеты в натуральную величину. Правда, в таких натурных аэродинамических трубах скорость воздушного потока обычно невелика и не превышает 100 метров в секунду. Поэтому с их помощью можно воспроизводить только взлет и посадку самолета, когда скорость его намного меньше, чем во время полета.

Чтобы придать большую скорость такому гигантскому воздушному потоку, потребовались бы силовые установки поистине сказочной мощности. Например, в одной аэродинамической трубе, созданной в США, шириной в 25 метров и высотой в 12,2 метра, чтобы сообщить воздушному потоку скорость в 90 метров в секунду, приходится использовать шесть вентиляторов общей мощностью в 36 000 лошадиных сил!

Намного большие мощности можно получить в небольших по размерам аэродинамических трубах. Но и для них пришлось бы затрачивать громадное количество энергии, чтобы непрерывно поддерживать сверхзвуковой воздушный поток, если бы не были созданы специальные типы аэродинамических труб — накопителей энергии. Обычно в аэродинамических трубах воздух приводится в движение мощным многоступенчатым компрессором или реактивным двигателем. Во время испытаний компрессор или реактивный двигатель работает непрерывно. Но можно с помощью того же компрессора накачать в баллон воздух до высокого давления и выпустить его затем в аэродинамическую трубу сразу, в виде высокоскоростной струи газа. Можно сделать и наоборот. Сначала откачать из баллона воздух до очень высокого разрежения и соединить его при помощи аэродинамической трубы с наружной атмосферой. Тогда в разреженное пространство с большой скоростью устремится воздушный поток.

У таких баллонных и вакуумных аэродинамических труб период действия после каждой зарядки не превышает одной минуты. Но в то же время трубы кратковременного действия обладают и существенными преимуществами перед обычными устройствами.

Дело в том, что в баллонных трубах расходуемая за короткий промежуток времени энергия движущегося воздушного потока накапливается за гораздо более длительный период. Поэтому мощность, развиваемая такой трубой во время испытаний, намного превышает мощность используемого компрессора. В аэродинамических же трубах постоянного действия — их мощность меньше мощности компрессора.

Аэродинамическая труба.

Такой принцип постепенного накопления энергии и быстрого расходования ее за короткое время позволил с помощью уже имеющихся силовых установок достигнуть гораздо больших скоростей. Например, если аэродинамическая труба кратковременного действия со скоростью воздушного потока, в пять раз превышающей скорость звука, использует силовую установку мощностью в 8000 лошадиных сил, то аэродинамическая труба постоянного действия (на ту же скорость), потребовала бы установки в 150 000 лошадиных сил!

«Конденсационный порог»

Аэродинамическим трубам, как и самолетам, пришлось столкнуться со своим «скоростным порогом», поставившим предел для дальнейшего роста скоростей. Но в отличие от звукового барьера самолетов «скоростной порог» аэродинамических труб имеет совсем иную природу.

Чтобы создать быстрый поток газа, необходимо предварительно пропустить его через специальное расширяющееся сопло, на выходе из которого и получается сверхзвуковая скорость. Расширяясь в сопле, газ одновременно охлаждается, как это следует из законов термодинамики. И чем большая сверхзвуковая скорость создается в аэродинамической трубе, тем большее должно быть расширение потока в сопле, и тем в большей степени охлаждается воздух. В результате при скорости потока, более чем в четыре раза превышающей скорость звука, воздух охлаждается настолько сильно, что входящий в его состав кислород начинает сжижаться. Воздушный поток резко изменяется, и становится уже невозможным воспроизвести полет самолета в атмосфере.

Чтобы предотвратить конденсацию кислорода, стали предварительно нагревать воздух до высокой температуры. Тогда, несмотря на значительное охлаждение его в расширяющем сопле, температура все же остается выше точки сжижения кислорода. И действительно, создав специальные подогревательные устройства, ученые достигли скоростей воздушного потока, уже в восемь раз превышающих скорость звука. Но, как показали дальнейшие исследования, это были всего лишь частичные успехи.

Последующее увеличение сверхзвуковых скоростей стало даваться такой дорогой ценой, что от этого метода пришлось отказаться — он стал экономически невыгодным. Ведь нагреть громадное количество газа, движущегося с большой скоростью,— нелегкая задача. Приходится создавать уникальные по своей громоздкости и сложности теплообменники.

В таких трубах с теплообменниками энергия, затрачиваемая только для нагрева газа, начинает уже превышать энергию, затрачиваемую на приведение его в движение. Кроме того, для дальнейшего существенного увеличения скорости сверхзвукового потока пришлось бы нагревать воздух до температуры, при которой начинают уже плавиться стенки трубы.

В поисках выхода из этого затруднительного положения пробовали заменить воздух другим газом, который сжижается при более низкой температуре, например гелием. Но этот газ обладает другими, чем воздух, свойствами и поэтому с его помощью нельзя точно воспроизвести полет самолета в атмосфере, хотя отдельные вопросы могут быть выяснены и на гелиевых трубах.

Трудности были настолько велики, что некоторые ученые решили было отказаться от испытания неподвижной модели в движущемся воздушном потоке и разгонять саму модель в покоящемся воздухе. Небольшие модели весом до десяти граммов выстреливались в аэродинамическую трубу из специальных «ружей». В таких установках действительно удалось воспроизвести большие сверхзвуковые скорости полета — до 16 000 километров в час. Если же выстреливать модель навстречу движущемуся ей сверхзвуковому потоку газа, то можно получить скорости, в 30 раз превышающие скорость звука. Но ценность таких испытаний снижается тем, что к быстро движущейся модели нельзя подсоединить многие измерительные приборы и определить действующие на нее силы или другие величины.

В борьбе за преодоление «конденсационного порога» ученым-аэродинамикам пришлось отказаться от применения расширяющегося сопла. Были созданы сверхзвуковые аэродинамические трубы принципиально нового типа. На входе в такую трубу ставится баллон высокого давления, который отделяется от нее тонкой металлической пластинкой — диафрагмой. На выходе труба соединяется с вакуумной камерой, в результате чего в трубе создается высокое разрежение.

Если прорвать диафрагму, например резким увеличением давления в баллоне, то поток газа устремится по трубе в разреженное пространство вакуумной камеры, предшествуемый мощной ударной волной. Поэтому установки эти получили название ударных аэродинамических труб.

Как и для трубы баллонного типа, время действия ударных аэродинамических труб очень невелико и составляет всего несколько тысячных долей секунды. Для проведения необходимых измерений за столь короткое время приходится использовать сложные быстродействующие электронные приборы.

Ударная волна перемещается в трубе с очень большой скоростью и без специального сопла. В созданных за рубежом аэродинамических трубах удалось получить скорости воздушного потока до 5200 метров в секунду при температуре самого потока в 20 000 градусов. При таких высоких температурах скорость звука в газе тоже увеличивается, и намного. Поэтому, несмотря на большую скорость воздушного потока, ее превышение над скоростью звука оказывается незначительным. Газ движется с большой абсолютной скоростью и с небольшой скоростью относительно звука.

Чтобы воспроизвести большие сверхзвуковые скорости полета, необходимо было или еще больше увеличить скорость воздушного потока, или же снизить скорость звука в нем, то есть уменьшить температуру воздуха. И тут аэродинамики снова вспомнили о расширяющемся сопле: ведь с его помощью можно сделать и то и другое одновременно — оно разгоняет поток газа и в то же время охлаждает его. Расширяющееся сверхзвуковое сопло в этом случае оказалось тем ружьем, из которого аэродинамики убили сразу двух зайцев. В ударных трубах с таким соплом удалось получить скорости воздушного потока, в 16 раз превышающие скорость звука.

Со скоростью спутника

Резко увеличить давление в баллоне ударной трубы и тем самым прорвать диафрагму можно различными способами. Например, как это делают в США, где применяется мощный электрический разряд.

В трубе на входе ставится баллон высокого давления, отделенный от остальной части диафрагмой. За баллоном располагается расширяющееся сопло. Перед началом испытаний давление в баллоне увеличилось до 35—140 атмосфер, а в вакуумной камере, на выходе из трубы, понижалось до миллионной доли атмосферного давления. Затем в баллоне производился сверхмощный разряд электрической дуги силой тока в миллион ампер! Искусственная молния в аэродинамической трубе резко увеличивала давление и температуру газа в баллоне, диафрагма мгновенно испарялась и поток воздуха устремлялся в вакуумную камеру.

В течение одной десятой секунды можно было воспроизвести скорость полета около 52 000 километров в час, или 14,4 километра в секунду! Таким образом, в лабораториях удалось преодолеть и первую и вторую космические скорости.

С этого момента аэродинамические трубы стали надежным подспорьем не только для авиации, но и для ракетной техники. Они позволяют решить целый ряд вопросов современного и будущего космоплавания. С их помощью можно испытать модели ракет, искусственных спутников Земли и космические корабли, воспроизводя тот участок их полета, который они проходят в пределах планетной атмосферы.

Но достигнутые скорости должны находиться лишь в самом начале шкалы воображаемого космического спидометра. Их освоение — это только первый шаг на пути создания новой отрасли науки — космической аэродинамики, которая была вызвана к жизни потребностями бурно развивающейся ракетной техники. И уже имеются новые значительные успехи в деле дальнейшего освоения космических скоростей.

Поскольку при электрическом разряде воздух в некоторой степени ионизируется, то можно попытаться в той же ударной трубе использовать электромагнитные поля для дополнительного ускорения получающейся воздушной плазмы. Эта возможность была осуществлена практически в другой, сконструированной в США ударной гидромагнитной трубе небольшого диаметра, в которой скорость движения ударной волны достигла 44,7 километра в секунду! О такой скорости движения пока что могут только мечтать конструкторы космических аппаратов.

Несомненно, что дальнейшие успехи науки и техники откроют более широкие возможности перед аэродинамикой будущего. Уже сейчас в аэродинамических лабораториях начинают использоваться современные физические установки, например установки с высокоскоростными струями плазмы. Для воспроизведения полета фотонных ракет в межзвездной разреженной среде и для изучения прохождения космических кораблей сквозь скопления межзвездного газа придется использовать достижения техники ускорения ядерных частиц.

И, очевидно, еще задолго до того, как первые звездолеты покинут пределы Солнечной системы, их миниатюрные копии уже не один раз испытают в аэродинамических трубах все тяготы далекого пути к звездам.

Автор: А. Шибанов.