Возможны ли полеты на больших высотах?

Инж. К. ВЕЙГЕЛИН

В широких кругах неспециалистов приходится слышать самые разноречивые суждения о технических трудностях, связанных с высотными полетами на современных аэропланах.

— Разреженный воздух не дает опоры для крыльев самолета. Поэтому летать высоко, где очень редкий воздух, аэроплан не может, — говорят одни.

— Наоборот, — возражают другие, — в атмосфере малой плотности лететь гораздо легче, так как сопротивление воздуха много меньше, а значит, и тяга может быть тоже меньше.

— Тяга получается от моторов, а они работают на взрывчатой смеси бензина с воздухом наружной атмосферы. Если будет поступать сильно разреженный воздух, то моторы не смогут давать полную мощность, и самолет не сможет летать, — приводят свои доводы третьи.

— Нет, не так. Если мощность и будет падать, то ведь при меньшем сопротивлении воздуха и тяга может быть меньше. Значит, ослабление мощности мотора не должно препятствовать полетам в высоту.

Таковы разноречивые мнения о полетах на больших высотах. Единогласие бывает обычно только в вопросе о влиянии разреженной атмосферы на организм человека: при уменьшающемся доступе кислорода и при пониженном давлении люди испытывают на больших высотах более или менее сильные недомогания и могут даже умереть от удушья. Вопрос здесь заключается только в оценке сравнительных возможностей достижения предельных высот на стратостатах и самолетах. Если в герметически закрытой гондоле стратостата наши советские герои-воздухоплаватели поднялись до 22 км, то, видимо, не должно быть препятствий к подъему на такую же высоту и на самолете, если на нем сделать вполне замкнутую кабину.

Попытаемся разобраться в этом сцеплении разноречивых фактов и выяснить, что же в действительности препятствует высотным полетам и что их облегчает.

Остановимся прежде всего на том, нужна ли на больших высотах повышенная тяга для самолета? Несущая сила крыльев на больших высотах уменьшается, так как воздух становится реже, — это говорит за то, что тяга как будто должна быть увеличена. Но, с другой стороны, мы знаем, что из-за той же разреженности воздуха самолет испытывает меньшее лобовое сопротивление. Значит, наоборот, тяга может быть как будто даже уменьшена.

Разобраться в этом противоречии нам позволит аэродинамика. Она учит, что сила тяги, потребная для аэроплана, совершенно не зависит от высоты. Для самолета неизменного веса, идущего с одним и тем же углом атаки (угол крыла к направлению движения), сила тяги, нужная для горизонтального полета, будет одна и та же как у земли, так и на большой высоте. Следовательно, для достижения предельных высот надо лишь сохранить по возможности ту тягу, которой самолет располагает у земли.

Для высотных полетов крылья самолета и его другие органы (кроме винта) изменений не требуют.

Несколько иначе обстоит дело с винтом. Тяга винта, которую можно сравнить по принципу ее работы с подъемной силой крыла, уменьшается с высотой, так как уменьшается плотность воздуха. И это уменьшение тяги заставляет конструировать по-другому или крылья, или сам винт высотного самолета. Практически выгоднее, конечно, изменить винт. В последнее время стали изготовлять винты, у которых можно менять установку их лопастей. Это позволило успешно пользоваться на разных высотах одним и тем же винтом. У земли лопастям дается установка под меньшим углом, а по мере набора высоты угол увеличивается, лопасти забирают разреженный воздух более круто, и винт сохраняет прежнюю тягу. У подобных винтов переменного (или регулируемого) шага перестановка лопастей производится в воздухе особым приводом от пилота, а в некоторых случаях и автоматически.

Таким образом, со стороны своих летных качеств современный самолет в достаточной степени пригоден для высотных полетов, и здесь нет препятствий для дальнейшего увеличения существующих рекордов высоты.

Несколько иначе обстоит дело с моторами. Уменьшение мощности мотора на больших высотах является очень серьезным препятствием, так как у обыкновенного бензинового мотора на высоте 5 тыс. м сохраняется лишь половина его мощности у земли, а на высоте 9 тыс. м всего лишь одна четверть.

Сейчас мы имеем лишь частичный выход из этого затруднения: на больших авиационных моторах нагнетается дополнительный воздух с помощью компрессора. Другими словами, задыхающемуся мотору дают, как и человеку, добавочный кислород. Это помогает в пределах высоты до 4300 м., но для более высокой зоны приходится искать новые средства.

Предварительные расчеты показывают, что высота может быть примерно. удвоена, если применять двойное нагнетание воздуха двухступенчатыми нагнетателями. Но далее 9—10 тысяч м и эта мера уже не поможет. Для больших высот нужны двигатели других типов: дизеля на нефти, турбины или паровые машины. От них можно ожидать повышения высотности до 20 км.

Весьма серьезное препятствие в осуществлении высотных полетов — это физиологические условия для летчиков.

Высоту в 4500—5000 м, где плотность атмосферы уменьшается вдвое, человеческий организм переносит с трудом, а выше уже требуется искусственное дыхание с помощью кислорода. На высотах в 13—14 км плотность воздуха составляет всего лишь 1/6—1/7 часть плотности атмосферы у земли. Значит, например, наш мировой рекордсмен Коккинаки даже при вдыхании чистого кислорода получил его в свои легкие на рекордной высоте в значительно меньшей дозе, чем при вдыхании атмосферного воздуха в обычных условиях у земли. Объясняется это тем, что воздух содержит в себе около 21 проц. кислорода, т. е. несколько больше 1/5 всего объема; а чистый разреженный кислород, вдыхаемый на указанной предельной высоте, поглощается там лишь в размере 1/6—1/7 объема, поглощаемого у земли. Следовательно, при дальнейшем увеличении высоты пользование кислородом в открытой кабине будет все меньше и меньше удовлетворять физиологической потребности организма летчика. Поэтому для повышения высотного рекорда необходимы другие технические средства.

Самолет, уходящий на большую высоту, чертит в небе причудливые узоры.

Слева самолет В. Коккинаки.

Таких средств имеется два: скафандры — специальные непроницаемые костюмы по образцу водолазных, в которых можно поддерживать нормальное давление, и герметически закрытые кабины на самолетах.

Скафандры еще не дали удовлетворительных результатов, хотя испытывались и на воздушных шарах и на самолетах. Постройка же герметически замкнутых гондол хорошо освоена и у нас и за границей. Но такие гондолы применяются пока только на стратостатах. На самолетах герметические кабины еще не дали удовлетворительных результатов.

Объясняется это тем, что управление воздушным шаром и самолетом различно. Управление стратостатом сводится к клапанной веревке, с помощью которой выпускают газ из оболочки, и к несложному механизму для сбрасывания балласта. То и другое сравнительно легко осуществимо без нарушения воздухонепроницаемости гондолы. А на самолете надо управлять несколькими рулями и винтом, которые никак не могут быть включены внутрь кабины. Вывод за стенки герметической кабины подвижных приводов к этим органам управления представляет большие трудности, которые еще далеко не преодолены...

Итак, мы видим, что для повышения высотности в авиации со стороны аэродинамики самолета препятствий нет, но из-за недостатка кислорода необходимо разрешить серьезные задачи в теплотехнике по конструированию соответствующих моторов и непроницаемой гондолы для экипажа самолета. Тогда мы достигнем небывалых высот, а вместе с тем и огромных скоростей передвижения.