С.П. Королев

Ракетный полет в стратосфере

Государственное военное издательство
Москва, 1934

Наш адрес: ruzhany@narod.ru

Глава II
Условия высотного полета самолета.
Самолет с высотным авиамотором и гребным винтом.
Самолет с ракетным двигателем

С подъемом на высоту плотность воздуха непрерывно уменьшается. Так на высоте 10000 м она составляет около 34%, а на высоте 20000 м – только 7% земной плотности.

Полет высотного самолета возможен даже при самой незначительной плотности окружающей среды, но только при условии, что он будет происходить со значительной скоростью. Чем меньше плотность воздуха, окружающего летящий на высоте самолет, тем| с большей скоростью должен лететь последний, для того чтобы выдержать горизонтальную траекторию полета. Основное затруднение при этом состоит в том, что с подъемом на высоту вследствие уменьшения плотности воздуха, а следовательно и уменьшения количества попадающего в мотор кислорода мощность его падает и притом тем быстрее, чем больше уменьшается плотность окружающей среды.

Таким образом для того, чтобы лететь на высоте горизонтально, самолет должен развить большую скорость, но мощности его мотора для этого не хватает, несмотря на уменьшение сопротивления воздуха.

На рис. 2 графически, изображено изменение плотности воздуха и мощности мотора без нагнетателя и с нагнетателем в зависимости от высоты полета. По горизонтальной оси вверху этой диаграммы отложены значения плотности воздуха, а внизу – мощности мотора.

На вертикальной оси нанесены значения высоты полета. Из рассмотрения рис. 2 видно, что если на уровне земли мы имели мотор полной мощности, например в 1000 л. с. (кривая I), то уже на высоте 4000 м мощность его составит только около 600 л. с. (или 60% от земной мощности), на высоте 12000 м – 200 л. с. (20%) и далее падает до нуля. На этих же высотах уменьшение плотности воздуха будет соответственно меньшим (см. кривую II), и если у земли мы принимали Δ=1, то на высоте 4000 м Δ = 0,669 (66,9%) и на высоте 12000 м Δ = 0,253 (25,3%).

Рис. 2. Падение мощности и плотности с высотой.

В современных самолетах сохранение мощности достигается устройством у моторов специальных нагнетателей, действующих от самого мотора.

Надо сказать, что устройство подобного высотного двигателя в целом получается достаточно сложным. Из-за конструктивных и эксплоатационных затруднений нельзя осуществить один нагнетатель для мотора, который сохранял бы его мощность до высоты, скажем, 15000–18000 м. Поэтому ставят так называемые многоступенчатые нагнетатели. Включая первую ступень, сохраняют мощность мотора до высоты около 5000 м, включая последующие – до высоты 10000–15000 м. Рис. 3 показывает характер изменения мощности мотора с многоступенчатым нагнетателем в зависимости от высоты полета.

В настоящее время есть уже осуществленные конструкции моторов с трехступенчатым нагнетателем, позволяющим сохранять мощность теоретически до высоты 15–18 км. Но необычайная техническая трудность создания высотного мотора с многоступенчатым нагнетателем является причиной того, что ряд фирм, работающих уже много лет над высотными моторами и самолетами, все еще не добились достаточно удовлетворительных результатов.

На осуществление высотного полета значительно влияют еще и другие различные факторы.

Рис. 3. Изменение мощности с высотой.

Так при высотных полетах очень невыгодно применение обычного винта, из-за того что в разреженном воздухе, на высоте, он дает недопустимо большие обороты. Если же винт специально подобрать для работы в разреженной среде, то он недодает значительное число оборотов при работе у земли.

Для того чтобы добиться более или менее удовлетворительного коэфициента полезного действия винта при всяких условиях, применяют винты с поворачивающимися в полете лопастями. Такие винты сложны и тяжелы.

Затруднительным является также вопрос охлаждения моторной установки. Как это ни странно на первый взгляд. Но в стратосфере, в условиях очень низких температур, необходимы очень большие поверхности охлаждения и специальные радиаторы для охлаждения подаваемого в мотор воздуха.

Обратимся теперь к рассмотрению скоростей, которые могут быть получены при полете высотного самолета. Вначале нами уже было указано, что одним из основных преимуществ полета на высоте является возможность достижения неосуществимых у земли громаднейших скоростей.

Рис. 4. Изменение сопротивления со скоростью.

При полете самолета сопротивление воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения машины (рис. 4, кривая I). Однако такая зависимость будет справедлива до скорости порядка 240 м/сек (860 км/час). После этой величины, т. е. когда полет будет происходить с еще большими скоростями, сопротивление воздуха продвижению самолета будет увеличиваться уже по другому закону и гораздо более энергично (рис. 4, кривая II). Поэтому для достижения скоростей, превосходящих 860 км/час, потребуется значительно большая мощность моторной установки самолета. Если же полет вынести на высоту, то благодаря разреженности среды, несмотря на то, что с увеличением скорости сопротивление, как мы уже говорили, быстро возрастает, для полета потребуется гораздо меньшая мощность.

В таблице 1 приведены цифровые данные, наглядно показывающие всю выгодность скоростного полета на высоте по сравнению с таким же полетом у земли.

Таблица 1

Таблица составлена для одного из гоночных рекордных гидросамолетов, участника международных состязаний на скорость полета (на кубок Шнейдера).

Для каждого значения выбранной скорости вычисление потребной мощности производилось дважды: один раз при полете непосредственно у земли, а затем на такой высоте, где для получения заданной скорости нужно затратить наименьшую мощность. Если бы мы захотели развить скорость 1000 м/сек, то для этого нам необходимо было бы подняться на высоту 30 км и развить там мощность около 6000 л. с.

Понятно, что осуществить у самолета моторную установку в 30000 л. с. (для достижения у земли скорости 350 м/сек или 1250 км/час) и уложиться при этом в вес н габариты одноместного гоночного самолета невозможно, несмотря ни на какие сколь-угодно блестящие достижения авиационной техники. А величины уже полученных рекордными самолетами скоростей полета у земли достигают около 700 км/час (195 м/сек), т. е. уже очень близко подходят к указанному нами пределу 240 м/сек, начиная с которого потребуется громадное увеличение мощности.

Рис. 5. Изменение скорости полета с высотой.

На рис. 5 (кривая I) показано теоретическое увеличение скорости полета на разных высотах за счет уменьшения плотности воздуха. На самом же деле так как мощность мотора с высотой падает быстрее, чем уменьшается сопротивление (возрастающее с увеличением скорости), изменение скорости происходит так, как это изображено иа кривой II.

Кривая II построена для условно выбранного нами в качестве примера одноместного самолета с полетным весом 1300 кг в случае его полета с невысотным мотором.

Если на тот же самолет поставить мотор, снабженный нагнетателем, то изменение скоростей будет происходить примерно так, как показано на кривой III. В этом случае мы видим, что скорость полета с подъемом начинает расти, достигает иа некоторой высоте своего максимума и затем при дальнейшем подъеме вследствие уже недостаточности имеющегося нагнетателя падает¹.

________________________

¹ На I Всесоюзной конференции по изучению стратосферы скорость в 700 км/час называлась как предельная достижимая для стратопланов с винтомоторной группой.

Среди всех средств изучения и завоевания стратосферы едва ли не первое место должно принадлежать высотному самолету – стратоплану. Как бы ни были просты различные косвенные методы наблюдений, как бы ни были доступны полеты шаров-зондов и интересны полеты стратостатов, но наиболее заманчивым, наиболее важным является полет человека в таком аппарате, который мог бы свободно прорезать необъятные просторы стратосферы в желаемом направлении.

Только такой полет, не связанный никакими ограничениями, будет означать действительную победу над стихией.

Военные требования, предъявляемые к современным самолетам, также совершенно определенно заставляют работать над все большим увеличением высоты полета с созданием специализированного высотного самолета и мотора.

Большая скорость полета становится неотъемлемым качеством современного самолета. И как мы уже видели, авиационная техника уже вплотную подошла к пределу достижимого. Для того чтобы еще больше увеличить скорость полета, нужно летать на больших высотах.

Если обратиться к существующим в настоящее время высотным самолетам, снабженным специальной винтомоторной установкой, если проанализировать дальнейшие перспективы развития подобного самолета, то можно установить, что последний сейчас ни одной из поставленных задач в достаточной степени не решает и в дальнейшем вряд ли сможет решить.

Область применения самолетов с нагнетателями и винтами с поворотными лопастями лежит в пределах до 20000 м, т. е. фактически в самом низу, у истоков стратосферы.

Большая конструктивная и эксплоатационная сложность создания моторной установки для работы на больших высотах, значительные потери мощности на самый нагнетатель и прочие вспомогательные агрегаты мотора, потери винта, охлаждения и пр. – все это ставит определенный и очень низкий предел высоты, достигаемой таким стратопланом.

Если бы удалось осуществить такой двигатель, который не терял бы своей мощности при подъеме на сколь-угодно большую высоту, то самолет с этим мотором легко мог бы развить громаднейшие скорости, совершая полет в самых разреженных слоях атмосферы, на высоте десятков, может быть сот и более километров. На рис. 5 (кривая IV) показано изменение скорости полета стратоплана, снабженного двигателем, имеющим неизменную тягу вне зависимости от высоты полета. Как видно из чертежа, скорость непрерывно растет с подъемом на высоту. Такой стратоплан мог бы свободно летать в стратосфере.

Ракетные моторы как раз являются теми двигателями, мощность которых не уменьшается с высотой. И потому, что в самой идее, в само.м принципе действия ракетных моторов заложены все данные для работы именно на больших, далеко превосходящих земные величины скоростях, именно поэтому они являются типом сверхвысотных двигателей.

Будущее, прогресс, дальнейшие успехи авиации находятся на высотах стратосферы.

Но для того, чтобы эти высоты взять, надо создать легкий, надежно работающий и мощный ракетный мотор.