Космічна швидкість в лабораторії

Перш ніж досвідчений зразок нового літака відірветься від бетонованої доріжки аеродрому, він вже не один раз до цього побуває в польоті. Вірніше не сам літак, а лише його крихітний прототип, модель. Та й політ відбувається не на безмежних просторах повітряного океану, а в обмеженому просторі аеродинамічної лабораторії. І тим не менше цей «модельований політ» дозволяє конструктору з’ясувати цілий ряд найважливіших питань, на які не можуть дати достатньо точної відповіді теоретичні обчислення: які сили діють на літак в польоті, чи стійкий він у повітрі, чи легко піддається управлінню і чи правильно обраний для нього запас міцності? Всі ці можливості відкрилися перед конструкторами літальних апаратів тільки завдяки винаходу аеродинамічних труб.

Створені ще на зорі розвитку авіаційної техніки, аеродинамічні труби разом з нею пройшли більш ніж віковий шлях розвитку та вдосконалення. І як не схожі один на одного надзвукові реактивні літаки і гвинтомоторні літальні апарати початку XX століття, також різко відрізняються сучасні аеродинамічні труби від першої «лопастної повітродувки» Ціолковського. Безперервно збільшуючи швидкість створюваного ними повітряного потоку, аеродинамічні труби разом з літаками зробили крок за «звуковий бар’єр» і впритул наблизилися до надзвукових швидкостей сучасних багатоступеневих ракет.

Зараз вчені і конструктори мають у своєму арсеналі для досліджень найрізноманітніші типи аеродинамічних труб – від невеликих настільних установок діаметром всього в один сантиметр до гігантських агрегатів, в яких можуть випробовуватись навіть літаки в натуральну величину. Правда, в таких натурних аеродинамічних трубах швидкість повітряного потоку зазвичай невелика і не перевищує 100 метрів у секунду. Тому з їх допомогою можна відтворювати тільки зліт і посадку літака, коли швидкість його набагато менше, ніж під час польоту.

Щоб надати більшу швидкість такому гігантському повітряному потоку, потрібні були б силові установки воістину казкової потужності. Наприклад, в одній аеродинамічній трубі, створеній в США, шириною в 25 метрів і висотою в 12,2 метра, щоб надати повітряному потоку швидкість в 90 метрів в секунду, доводиться використовувати шість вентиляторів загальною потужністю в 36 000 кінських сил!

Набагато більші потужності можна отримати в невеликих за розмірами аеродинамічних трубах. Але і для них довелося б затрачати величезну кількість енергії, щоб безперервно підтримувати надзвуковий повітряний потік, якби не були створені спеціальні типи аеродинамічних труб – накопичувачів енергії. Зазвичай в аеродинамічних трубах повітря приводиться в рух потужним багатоступеневим компресором або реактивним двигуном. Під час випробувань компресор або реактивний двигун працює безперервно. Але можна з допомогою того ж компресора накачати в балон повітря до високого тиску і випустити його потім у аеродинамічну трубу відразу, у вигляді високошвидкісного струменя газу. Можна зробити і навпаки. Спочатку відкачати з балона повітря до дуже високого розрідження і з’єднати його за допомогою аеродинамічної труби із зовнішньою атмосферою. Тоді в розріджений простір з великою швидкістю спрямується повітряний потік.

У таких балонних та вакуумних аеродинамічних труб період дії після кожної зарядки не перевищує однієї хвилини. Але в той же час труби короткочасної дії володіють і істотними перевагами перед звичайними пристроями.

Справа в тому, що в балонних трубах витрачається за короткий проміжок часу енергія рухомого повітряного потоку накопичується за набагато більш тривалий період. Тому потужність, що розвивається такою трубою під час випробувань, набагато перевищує потужність використовуваного компресора. У аеродинамічних же трубах постійної дії – їх потужність менше потужності компресора.

Аеродинамічна труба.

Такий принцип поступового накопичення енергії і швидкого витрачання її за короткий час дозволив за допомогою вже наявних силових установок досягти набагато більших швидкостей. Наприклад, якщо аеродинамічна труба короткочасної дії зі швидкістю повітряного потоку, в п’ять разів перевищує швидкість звуку, використовує силову установку потужністю в 8000 кінських сил, то аеродинамічна труба постійної дії (на ту ж швидкість), зажадала б установки в 150 000 кінських сил!

«Конденсаційний поріг»

Аеродинамічним трубам, як і літакам, довелося зіткнутися зі своїм «швидкісним порогом», які поставили межу для подальшого зростання швидкостей. Але на відміну від звукового бар’єру літаків «швидкісний поріг» аеродинамічних труб має зовсім іншу природу.

Щоб створити швидкий потік газу, необхідно попередньо пропустити його через спеціальне розширене сопло, на виході з якого і виходить надзвукова швидкість. Розширюючись в соплі, газ одночасно охолоджується, як це випливає із законів термодинаміки. І чим більша надзвукова швидкість створюється в аеродинамічній трубі, тим більше має бути розширення потоку в соплі, і тим більшою мірою охолоджується повітря. В результаті при швидкості потоку, що більш ніж у чотири рази перевищує швидкість звуку, повітря охолоджується настільки сильно, що кисень, який входить до його складу починає зріджуватись. Повітряний потік різко змінюється, і стає вже неможливим відтворити політ літака в атмосфері.

Щоб запобігти конденсації кисню, стали попередньо нагрівати повітря до високої температури. Тоді, незважаючи на значне охолодження його в розширювальному соплі, температура все ж залишається вище точки скраплення кисню. І дійсно, створивши спеціальні підігрівальні пристрої, вчені досягли швидкостей повітряного потоку, що вже у вісім разів перевищують швидкість звуку. Але , як показали подальші дослідження, це були всього лише часткові успіхи.

Подальше збільшення надзвукових швидкостей стало даватися такою дорогою ціною, що від цього методу довелося відмовитись – він став економічно невигідним. Адже нагріти величезну кількість газу, що рухається з великою швидкістю, – нелегке завдання. Доводиться створювати унікальні за свою громіздкістю та складністю теплообмінники.

У таких трубах з теплообмінниками енергія, що витрачається тільки для нагрівання газу, починає вже перевищувати енергію, що витрачається на приведення його в рух. Крім того, для подальшого істотного збільшення швидкості надзвукового потоку довелося б нагрівати повітря до температури, при якій починають вже плавитися стінки труби.

У пошуках виходу з цього скрутного становища пробували замінити повітря іншим газом, який сжижається при більш низькій температурі, наприклад гелієм. Але цей газ володіє іншими, ніж повітря, властивостями і тому з його допомогою не можна точно відтворити політ літака в атмосфері, хоча окремі питання можуть бути з’ясовані і на гелієвих трубах.

Труднощі були настільки великі, що деякі вчені вирішили було відмовитися від випробування нерухомої моделі в рухомому повітряному потоці і розганяти саму модель в спокійному повітрі. Невеликі моделі вагою до десяти грамів вистрілювали в аеродинамічну трубу зі спеціальних «рушниць». У таких установках дійсно вдалося відтворити великі надзвукові швидкості польоту – до 16 000 кілометрів на годину. Якщо ж вистрілювати модель назустріч потоку газу, який рухається з надзвуковою швидкістю, то можна отримати швидкості, що в 30 разів перевищують швидкість звуку. Але цінність таких випробувань знижується тим, що до швидко рухомої моделі не можна під’єднати багато вимірювальних приладів і визначити діючі на неї сили або інші величини.

У боротьбі за подолання «конденсаційного порогу» вченим-аеродинамікам довелось відмовитись від застосування розширеного сопла. Були створені надзвукові аеродинамічні труби принципово нового типу. На вході в таку трубу ставиться балон високого тиску, який відокремлюється від неї тонкою металевою пластинкою – діафрагмою. На виході труба з’єднується з вакуумною камерою, в результаті чого в трубі створюється високе розрідження.

Якщо прорвати діафрагму, наприклад різким збільшенням тиску в балоні, то потік газу спрямується по трубі в розріджений простір вакуумної камери , що передує потужній ударній хвилі. Тому установки ці отримали назву ударних аеродинамічних труб.

Як і для труби балонного типу, час дії ударних аеродинамічних труб дуже невеликий і складає всього кілька тисячних часток секунди. Для проведення необхідних вимірювань за настільки короткий час доводиться використовувати складні швидкодіючі електронні прилади.

Ударна хвиля переміщається в трубі з дуже великою швидкістю і без спеціального сопла. У створених за кордоном аеродинамічних трубах вдалося отримати швидкості повітряного потоку до 5200 метрів в секунду при температурі самого потоку в 20 000 градусів. При таких високих температурах швидкість звуку в газі теж збільшується, і набагато. Тому, незважаючи на велику швидкість повітряного потоку, її перевищення над швидкістю звуку виявляється незначним. Газ рухається з великою абсолютною швидкістю і з невеликою швидкістю щодо звуку.

Щоб відтворити великі надзвукові швидкості польоту, необхідно було або ще більше збільшити швидкість повітряного потоку, або ж знизити швидкість звуку в ньому, тобто зменшити температуру повітря. І тут аеродинаміки знову згадали про розширене сопло: адже з його допомогою можна зробити і те й інше одночасно – воно розганяє потік газу і в той же час охолоджує його. Розширене надзвукове сопло в цьому випадку виявилося тою рушницею, з якої аеродинаміки вбили відразу двох зайців. В ударних трубах з таким соплом вдалося отримати швидкості повітряного потоку, що в 16 разів перевищують швидкість звуку.

Зі швидкістю супутника

Різко збільшити тиск в балоні ударної труби і тим самим прорвати діафрагму можна різними способами. Наприклад, як це роблять у США, де застосовується потужний електричний розряд.

У трубі на вході ставиться балон високого тиску, відокремлений від решти частини діафрагмою. За балоном розташовується розширене сопло. Перед початком випробувань тиск у балоні збільшився до 35-140 атмосфер, а у вакуумній камері, на виході з труби, знизився до мільйонної частки атмосферного тиску. Потім у балоні проводився надпотужний розряд електричної дуги силою струму в мільйон ампер ! Штучна блискавка в аеродинамічній трубі різко збільшувала тиск і температуру газу в балоні, діафрагма миттєво випаровувалася і потік повітря линув в вакуумну камеру.

Протягом однієї десятої секунди можна було відтворити швидкість польоту близько 52000 кілометрів на годину, або 14,4 кілометра в секунду! Таким чином, в лабораторіях вдалося подолати і першу і другу космічні швидкості.

З цього моменту аеродинамічні труби стали надійною підмогою не тільки для авіації, але і для ракетної техніки. Вони дозволяють вирішити цілий ряд питань сучасного та майбутнього космоплавання. З їх допомогою можна випробувати моделі ракет, штучних супутників Землі і космічні кораблі, відтворюючи ту ділянку їхнього польоту, яку вони проходять в межах планетної атмосфери.

Але досягнуті швидкості повинні знаходитись лише на самому початку шкали уявного космічного спідометра. Їх освоєння – це тільки перший крок на шляху створення нової галузі науки – космічної аеродинаміки, яка була викликана до життя потребами ракетної техніки, що бурхливо розвивається. І вже є нові значні успіхи у справі подальшого освоєння космічних швидкостей.

Оскільки при електричному розряді повітря в деякій мірі іонізується, то можна спробувати в тій же ударній трубі використовувати електромагнітні поля для додаткового прискорення отриманої повітряної плазми. Ця можливість була здійснена практично в іншій, сконструйованій в США ударній гідромагнітній трубі невеликого діаметру, в якій швидкість руху ударної хвилі досягла 44,7 кілометра в секунду! Про таку швидкість руху поки що можуть тільки мріяти конструктори космічних апаратів.

Безсумнівно, що подальші успіхи науки і техніки відкриють більш широкі можливості перед аеродинамікою майбутнього. Вже зараз в аеродинамічних лабораторіях починають використовуватись сучасні фізичні установки, наприклад установки з високошвидкісними струменями плазми. Для відтворення польоту фотонних ракет в міжзоряному розрідженому середовищі і для вивчення проходження космічних кораблів крізь скупчення міжзоряного газу доведеться використовувати досягнення техніки прискорення ядерних частинок.

І, очевидно, ще задовго до того, як перші зорельоти покинуть межі Сонячної системи, їх мініатюрні копії вже не один раз випробують в аеродинамічних трубах всі тяготи далекого шляху до зірок.