Циолковский

В первых же строках Шершевский сообщал Константину Эдуардовичу об интересе немецких газет к его работам. Затем, вспомнив мысли о сопротивлении воздуха, высказанные в «Исследовании мировых пространств реактивными приборами» 1926 года, заметил: «Эти исследования здесь еще малоизвестны, особенно трение (подчеркнуто Циолковским. – А.) воздуха как функции пограничного слоя и уменьшении толщины пограничного слоя. Во всяком случае я послал оттиск профессору Л. Прандтлю в Геттинген».

Несколькими строками ниже еще одна интересная деталь: немецких ученых интересует мнение Константина Эдуардовича о сечении и очертании крыльев аппарата, летящего на сверхзвуковых скоростях, а приземляющегося на обычных.

Отвечая на такого рода письма (а их приходило в Калугу немало), Циолковский опубликовал работу «Давление на плоскость при ее нормальном движении в воздухе». Во введении к этой брошюре он писал: «Я даю тут, как мне кажется, новое по сопротивлению воздуха. Но, во-первых, я не считаю это строго научным; во-вторых, не уверен, что кто-нибудь не дал ранее тех же формул». О работе С. А. Чаплыгина по газовой динамике Циолковский, подобно большинству ученых того времени, не знал.

Старый ученый одновременно осторожен, но тверд. «Взятая мною на себя задача,– сообщает он читателям, – имеет много применений – между прочим, к определению сжатого воздуха в переднем отверстии летающего самолета или другого снаряда. Дело в том, что этим сжатием в разреженных слоях воздуха можно усилить работу моторов».

Слов нет, решение задачи сверхзвукового полета действительно сулило многое, но в этом многообразии Циолковский сразу же обратил внимание на главное: явления, «происходящие при изменении объема газа». Принцип несжимаемости воздуха – один из основных принципов аэродинамики дозвуковых скоростей – отброшен. Отсюда совершенно правильный вывод о «воздушной стене», возникающей на пути сверхзвукового самолета.

Да, такая «стена» существует. И это понятно. Любой самолет (даже летящий гораздо медленнее звука) баламутит воздух, возмущает его. Возмущения убегают от машины со звуковой скоростью. Они как бы разносят сигнал: расступись! Повинуясь этой команде, встречный воздух обтекает машину плавными струями.

Все выглядит иначе при полете быстрее звука. Обогнав порожденные им возмущения, самолет врезается в воздух, уплотняет его. Тонкий слой сжатого воздуха движется вместе с машиной. Давление в этом слое возросло резко, скачкообразно. Отсюда и его название – скачок уплотнения. Как гигантская гребенка, прочесывает скачок встречный воздух. Частицы воздуха с огромным трудом протискиваются «между зубьями гребенки». За счет трения уплотнившийся в скачке воздух нагревается. Вот и выходит, что большая часть мощности двигателей машины растрачивается понапрасну. Она уходит на бессмысленный и никому не нужный нагрев атмосферы.

Теперь всем все ясно, а тогда сверхзвуковой полет являл собой сплошную загадку. Вот почему оттиск работы Циолковского попал в Геттинген, к самому профессору Прандтлю, построившему для своих экспериментов сверхзвуковую аэродинамическую трубу.

Установка геттингенского профессора (один из немецких корреспондентов Циолковского прислал в Калугу ее описание) представляла собой два стальных резервуара объемом по 10 кубометров, соединенных трубой диаметром 0, 3 метра. Для проведения опыта Прандтль помещал модель внутри трубы, подле глухой перегородки. Затем давление в одном резервуаре поднималось до 10 атмосфер, а в другом – снижалось до минус одной атмосферы. Раздавался сильный взрыв. Разность давления сметала перегородку. Какое-то мгновение модель обтекалась с гигантской скоростью, а процесс обтекания фиксировался на пленку.

Способ рационален и остроумен (не зря он дожил и до наших дней). Циолковский жалел лишь об одном: такой эксперимент в домашней лаборатории не поставишь!

И, лишенный возможности экспериментировать, Константин Эдуардович иллюстрирует свою мысль опытом, поставленным самой природой. Как известно, пролетая сквозь атмосферу, метеориты накаляются и светятся. Циолковский подсчитал: при скорости 5 километров в секунду воздух уплотняется в 400 раз, а температура его доходит до 65 000°С. Космические гости мчатся еще быстрее – 50 километров в секунду, 180 тысяч километров в час – такова скорость метеорита, оставляющего горячий яркий след в ночной атмосфере.

Три десятилетия прошло с тех пор, как Циолковский заинтересовался аэродинамическим нагревом. Вокруг нашей планеты закрутились орбитальные космические корабли. Огненным вихрем встречала их на спуске воздушная рубашка планеты. И вот как выглядит эта встреча в протокольно точной записи Героя Советского Союза, летчика-космонавта Германа Титова:

«...„Восток-2“ вошел в плотные слои атмосферы. Его теплозащитная оболочка быстро накалялась, вызывая яркое свечение воздуха, обтекающего корабль. Я не стал закрывать шторки иллюминаторов – хотелось подробнее проследить за тем, что делается снаружи.