Чудеса техники

Может ли самолет быть без двигателя?

Настоящие самолеты, то есть управляемые аппараты тяжелее воздуха, снабженные двигателем, способные менять высоту и летать горизонтально, появились лишь на рубеже двух последних веков. Необходимо воздать должное смелости и упорству исследователей, на себе испытавших всю прелесть и опасность движения в воздухе. Огромное количество опытов, измерений и расчетов позволили, наконец, понять, какими должны быть крылья будущего аэроплана.

Относительно небольшие размеры и малый вес, но в то же время и достаточная тяга созданного к тому времени двигателя внутреннего сгорания обеспечили необходимые условия для полета.

Как бы ни были интересны прежние изыскания ученых, в том числе и Леонардо да Винчи, пытавшихся скопировать полет птиц и летучих мышей, уже около ста лет назад стало ясно, что человеку для полета необходим двигатель. Правда, ради справедливости заметим, что на сегодня изобретены и поднимаются в воздух машины, приводимые в движение одной лишь мускульной силой человека.

Эти воздушные «велосипеды» стали возможны благодаря появлению сверхлегких прочных материалов и хитроумным способам максимального использования человеческих усилий. Помимо летательных аппаратов, подобных самолетам и способных довольно долго находиться в воздухе – сколько у пилота хватит сил, – появились и «мускульные вертолеты».

Несколько лет назад устройство массой 45 килограммов смогло оторваться на 20 сантиметров от земли и продержаться 7 секунд. Аппарат, названный «да Винчи III», включал в себя тридцатиметровый винт, вращаемый с помощью педального привода.

Однако такого рода машины, хоть и доказали возможность автономного, без двигателя, полета человека, пока еще служат скорее для развлечения. Но кто знает, не окажутся ли они полезными впоследствии для разведывательных целей или для исследования планет?

Что же касается опыта изучения полетов птиц, то он, безусловно, пригодился – прежде всего при расчетах и конструировании крыльев самолетов. Вспомните, ведь птица машет крыльями, набирая высоту или летя горизонтально. Но часто она просто парит в вышине, улавливая потоки восходящего воздуха, или плавно планирует, заходя на посадку. Что держит ее в это время? Как обтекает воздух поверхность крыльев? Чем можно изменить подъемную силу?

Ответы на подобные вопросы, прикидки, испытания, моделирование и продувка самолетов в аэродинамических трубах, а также компьютерное моделирование помогают постоянно улучшать параметры самолетов. Вся мощь науки и техники была брошена на решение задач авиации, что и обеспечило ей столь быстрый прогресс.

Судите сами: в конце 1903 года самолет братьев Райт продержался в воздухе двенадцать секунд и пролетел около сорока метров. В 1909 году первый аэроплан перелетел через пролив Ла-Манш, в 1919-м – самолет пересек Атлантический океан.

За следующие два десятилетия протяженность постоянных самолетных маршрутов выросла почти в восемьдесят раз. И эти данные оказались вовсе не рекордными.

Авиацию ждал новый взлет, связанный с появлением реактивного самолета.

Зачем понадобилась реактивная авиация?

Первые самолеты, как вы, наверное, знаете, приводились в движение пропеллером-винтом. Впрочем, пропеллеры не потеряли своего значения для авиации и по сей день. Наглядный пример – вертолеты. Недаром их именуют еще и винтокрылыми машинами.

Тем не менее использование пропеллеров наряду с вращавшими их поршневыми двигателями имело свои пределы. Во время Второй мировой войны стало очевидно, что для достижения больших скоростей и высот нужны иные двигатели. Принцип их действия был, как и многое в науке и технике, известен давно.

Пушка при выстреле откатывается назад, ружье, выпустив пулю, бьет прикладом в плечо. Называется это отдачей, реакцией. Нельзя ли такой процесс сделать непрерывным? Например, если кипящий чайник поставить на легкую тележку, то вырывающаяся из его носика струя пара заставит тележку двигаться в противоположном направлении. А если использовать для этого не пар, а газовую турбину? Или сжигать топливо в камере, а продукты сгорания – газы – выпускать в одном направлении. Возможно, это заставит машину двигаться?

Эти идеи получили техническое воплощение еще в 1910 году, когда на авиационном салоне под Парижем в воздух был поднят самолет особенной конструкции. Поздравляя его создателя, знаменитый А. Эйфель, построивший не только известную башню, но и аэродинамическую трубу, сказал: «Вы опередили эпоху на 30, а то и на все 50 лет!» Войны резко подстегнули разработки, что и привело к созданию реактивного самолета. С начала сороковых годов реактивные истребители стали выпускаться серийно, а в послевоенное время на реактивную тягу перешла и гражданская авиация.

Именно реактивный двигатель позволил самолету впервые превысить скорость звука, подняться на высоту в два десятка километров. Новые двигатели увеличили мощность и грузоподъемность летающих машин настолько, что стало возможным перевозить по две-три сотни пассажиров на тысячи километров, оперативно доставлять в самые разные точки земного шара сотни тонн грузов.

Реактивный самолет стал самым быстроходным современным транспортом. Внешне он мало похож на своего прародителя – вытянутый обтекаемый фюзеляж, прижатые к корпусу крылья, убирающиеся при взлете шасси. А как изменилась «начинка» самолета! Система автоматической посадки, автопилот, гидравлическая передача для управления рулями, система предупреждения столкновений, спутниковая связь… Одних только шкал, цифровых указателей, табло и экранов в кабине летчика больше сотни! Здесь без компьютера – как без рук!

Сочетая качества ракеты и самолета, конструкторы создали космический челнок – «Шаттл». Он поднимается в заатмосферные высоты подобно ракете, а приземляется как настоящий самолет. Такого рода машины дают нам возможность заглянуть в завтрашний день авиации.

По космическим орбитам

 
…Ведь Ньютона открытие
разбило
Неведенья мучительное зло.
Дорогу к новым звездам
проложило
И новый выход страждущим
дало.
Уж скоро мы, природы
властелины,
И на Луну пошлем свои
машины.
 

Дж. Байрон

Пожалуй, вырваться за пределы земного тяготения было настолько дерзновенным устремлением человечества, что долгие столетия об этом мечтали лишь поэты и писатели-фантасты. Даже во второй половине XIX века, когда пар и электричество преображали производство и наземный транспорт, мало кто связывал эти достижения с выходом в космическое пространство. И если об этом писали, как, например, Жюль Верн в своих романах, то представляли запуски в космос совсем не так, как это делается сегодня. Думали, что аппараты на Луну можно отправить, стреляя из огромной пушки. Отметим, что этот способ выхода в космос оказался вовсе не безнадежным. Но осуществить его удалось только в наше время.

Генеральной дорогой космонавтики стало использование ракет. Сами по себе они были известны давно, исторические источники отмечают их применение несколько столетий назад в Китае и Индии. Но это были небольшие устройства, и вряд ли кто-нибудь усматривал в них возможность заатмосферных путешествий.

Реально космонавтика начала становиться на ноги, когда появились научные расчеты. Они доказывали выполнимость полета по орбите вокруг Земли и даже далеко за ее пределы с помощью реактивной техники, но создание ее требовало новаторских конструкторских и инженерных решений.

Правда, когда появились эти расчеты, еще только-только «вставала на крыло» авиация и многие справедливо сомневались в быстрых темпах даже ее развития. Что ж говорить о каких-то ракетах, направляемых в заоблачные выси! Но жизнь подтвердила фантазии ученых, и это произошло весьма скоро…

Почему движется ракета?

Вклад, который внес в обоснование возможности космических полетов наш соотечественник К. Э. Циолковский, неоспорим и признан во всем мире. Живя в тихой и провинциальной Калуге, скромный учитель смог облечь свои мечты в конкретные формулы, на которые затем опирались все, кто хотел реализовать полет в космос. Циолковского поэтому называют основоположником теоретической космонавтики. Но на склоне лет ему удалось застать начало практического воплощения своих надежд.

В двадцатые – тридцатые годы и в нашей стране, и в других развитых государствах стали активно строить ракеты. Они, используя реактивную тягу, взлетали поначалу на небольшие высоты, но вскоре стали соперничать со стратостатами. То есть соревнование шло пока лишь в подъеме на все большие уровни по вертикали.

В начале сороковых годов, когда вовсю гремела Вторая мировая война, ракеты приняли на вооружение. У нас это были установки реактивного огня – «Катюши», а в гитлеровской Германии – ракеты ФАУ-2, которыми фашисты обстреливали Англию.

Дальнобойность, продемонстрированная ракетным оружием, говорила о том, что при последующем росте мощности двигателей можно попытаться выйти уже на околоземные орбиты.

В обстановке глубокой секретности (дело-то было связано с обороной!) шла работа над космическими устройствами. И прошло поразительно мало времени с начала постройки первых, еще во многом несовершенных, часто взрывавшихся ракет до того, как человек сумел вырваться в космос, то есть достичь скорости около 8 километров в секунду!

А все это стало летать благодаря тому, что люди смогли «впрячь» в новую технику хорошо «обкатанный» авиацией реактивный принцип. Однако, в отличие от самолетов, поддерживаемых во время движения воздухом, ракете в безвоздушном пространстве не на что опираться и не от чего отталкиваться, кроме как от выбрасываемых из нее продуктов сгорания топлива.

Еще задача. Топливо без кислорода гореть не может. А где его взять в космосе? Остается везти с собой, в сжатом виде. Ракета становится тяжелее, и чтобы оторвать от Земли и разогнать большой вес, нужна такая тяга, какую могут обеспечить лишь реактивные установки. Их на сегодня придумано немало: на твердом, жидком, ядерном топливе. Есть гибридные схемы, есть такие, что должны работать на солнечной энергии.

И даже если мы захотим двигаться к другим планетам, а может, и дальше – к звездам, то долго еще будет работать реактивный принцип.

Как помочь космонавту в полете?

Первый искусственный спутник Земли был запущен 4 октября 1957 года. Не прошло и четырех лет, как в космосе побывал первый человек – Юрий Гагарин.

Чтобы осуществить эти и последующие запуски, потребовались огромные силы: работали целые отрасли промышленности, многие научно-исследовательские институты и конструкторские бюро.

Подумайте, сколько новых технических задач нужно было решить. Из чего делать корпус ракеты? Каким заправлять топливом? Сколько и каких приборов надо установить, чтобы она не сбилась с курса, не «кувыркалась» во время движения по орбите, чтобы поддерживалась устойчивая связь с Землей? Как создать в условиях невесомости, а именно в них большую часть времени проводят космонавты, необходимый, хотя бы минимальный комфорт?

Тысячи и тысячи проблем, и все их надо было решать в комплексе, одновременно. Вот пример: для длительного полета пилотам корабля нужен достаточный запас кислорода и питания. Но двигатели ракеты способны поднять строго ограниченный вес. Что делать, не экономить же на горючем? Такого рода вопросы подталкивали к изобретению как новых материалов для обшивки и двигателей, к поиску необычных, обладающих высокой эффективностью видов топлива, так и к установке на борту корабля новейших компактных вычислительных машин. Они должны совершать огромный объем работы и заменять громоздкие и тяжелые устройства, используемые обычно на Земле.

Заметьте, сколько раз в сообщениях о работе станции «Мир» упоминалось об отладке или ремонте бортовых компьютеров. Сбои в их работе угрожали потерей энергообеспечения, нарушением ориентации станции, прекращением научных экспериментов. Пришлось доставлять на орбиту с помощью космического челнока новую вычислительную машину и «на ходу» производить замену.

Чтобы работа в космосе была более эффективной, многие из операций имитируют на Земле. Например, условия, похожие на те, в которые попадают космонавты при выходе в открытый космос, можно создать… в специальном бассейне. Там проходят испытания и люди в скафандрах, и конструкции, с которыми им придется иметь дело на орбите.

А когда американские астронавты высаживались на Луну, дублирующий экипаж повторял все их движения в имитаторе размером с пятнадцатиэтажный дом. В нем была воспроизведена обстановка, подобная лунной. И если на Луне вдруг произошло бы что-то непредвиденное, то на Земле это могли бы повторить и подсказать астронавтам решение проблемы.

Сегодня на Земле построен не один космодром – огромная стартовая площадка для ракет, достигающих сотни метров в высоту и способных вывести на околоземную орбиту свыше 100 тонн полезного груза, например наша ракета-носитель «Энергия». Многие страны располагают возможностью запускать свои космические корабли и космонавтов или же платят за это, покупая рейс у других государств. Арсенал ракет для запуска самых различных спутников и станций велик и разнообразен.

Как же все это намерено использовать человечество?..