Городомля. Немецкие исследователи ракет в России (1997)

В тот вечер мы не смогли дать ответ господину Ветошкину, но обещали подумать над этой проблемой. Только несколько дней спустя конструкторы спросили меня, какова может быть температура оболочки ракеты при полете. Тем самым, как мы поняли позднее, была затронута проблема фундаментального значения. Я разрешил этот актуальный вопрос довольно быстро, как одну из рутинных проблем, которые постоянно попадаются аэродинамику. Я подумал, что острие летящего со сверхзвуковой скоростью тела сильно уплотняет окружающий его воздух. Из-за сжатия температура повышается. Я тут же рассчитал температуру в зависимости от скорости и высоты полета, начертил зависимость ее от времени и передал листок конструкторам. Тем самым, как я думал, проблема была решена. Но не тут-то было. Конструкторы поговорили с одним нашим инженером, который раньше принимал участие в пробных запусках ракет в Пенемюнде. Этому человеку было известно, что во время полета температура автоматически измерялась на корпусе ракеты и передавалась на станцию слежения на земле. Он вспомнил прежние значения температуры, они были гораздо выше моих расчетных.

Господин Бласс, руководитель конструкторского отдела, и господин Тоебе, специалист по прочности, пришли ко мне и спросили о надежности моего расчета. Я еще раз все проверил и подтвердил, что при сжатии воздуха получаются те значения, которые я рассчитал. Конструктор и прочнист еще раз объяснили мне, насколько важно предварительно точно рассчитать температуру. Ведь прочность металла при повышении температуры уменьшается. По воспоминаниям инженера температура была такой высокой, что можно было ожидать потерю прочности. Однако рассчитанная мною температура лежала в области, которая не влияет на прочность материала. Я подумал: или инженер ошибается в своих воспоминаниях, или помимо сжатия окружающего воздуха есть и другие факторы, из-за которых обшивка ракеты может нагреваться. Во всяком случае, запрос вырос в постановку проблемы, которую уже нельзя было решить рутинными расчетами.

Я прервал все другие работы и несколько недель был занят только этой новой задачей. Я спрашивал себя: какого вообще самого большого значения температуры может достичь быстро летящее тело вследствие уплотнения воздуха? Ясно, что максимальная температура возникнет в головке ракеты, то есть в точке максимального давления. На основе законов термодинамики возникла простая формула. Если скорость полета возвести в квадрат, а затем ввести в расчет удельную теплоемкость воздуха, тогда можно рассчитать повышение температуры в передней критической точке, она равняется скорости в квадрате, деленной на две тысячи. Скорость полета ракеты Г-1, которая должна лететь на расстояние в тысячу километров, может достигать порядка двух тысяч метров в секунду. Тогда по моей формуле повышение температуры могло бы составить две тысячи градусов. Я ужаснулся этому результату. При такой высокой температуре плавится даже сталь. Мы же тогда думали о применении легких металлов в качестве материала для оболочки ракеты, все проекты ракеты Г-1 в Блайхероде были продуманы в этом направлении. Но эта температура могла повышаться за счет уплотнения воздуха только в одной-единственной передней критической точке. Я все еще был уверен в своей концепции. Во всех остальных местах, по моему тогдашнему воззрению, температура была намного ниже, такой, как я ее и рассчитал первоначально. Я спросил себя: есть ли еще какой-то физический фактор, который может повысить температуру? Да, есть — это трение. Трение воздуха о поверхность ракеты. Воздух, обтекающий ракету, тормозится в совсем тонком слое на ее поверхности, аэродинамики называют этот слой пограничным. Вся кинетическая энергия воздуха превращается в тепло и дает повышение температуры, которая соответствует ее значению в передней критической точке. Если учесть трение, а его нужно учитывать, тогда напрашивается вывод, что при полете в каждой точке корпуса ракеты, а не только в передней критической точке, может быть достигнута эта предельно высокая температура. И если бы ракетная оболочка нагревалась так же сильно, как и воздух, тогда было бы невозможно найти материалы, имеющие соответствующую теплостойкость.