Европейские путешественники, впервые попавшие в XVIII в. на затерянный в Тихом океане о-в Пасхи, обнаружили там колоссальные каменные статуи, изображавшие людей или богов. Вес некоторых из этих изваяний достигал 20 т. У людей, живших на острове, хранились дощечки с письменами, но никто из них не умел прочесть, что там было написано. Было непонятно и кто писал на этих дощечках, и кто установил статуи. А еще таинственнее было то, что статуи, очень похожие на изваяния о-ва Пасхи, были обнаружены за тридевять земель от него — в Южной Америке, в Перу. Некоторые ученые даже высказали предположение, что статуи и на о-ве Пасхи и в Перу установил один и тот же народ. Но население острова стояло на очень низком культурном уровне, лодок, пригодных для плавания по океану, у них не было, а до перуанского берега от о-ва Пасхи 4000 км. Как же люди перебрались через океан?
Норвежский ученый Тур Хейердал решил доказать, что и много веков назад люди могли переплывать океан. Он отправился в Южную Америку и построил там плот — точную копию древних перуанских плотов: девять толстых бревен из бальзовых деревьев, связанных веревками; на плоту были бамбуковая хижина, четырехугольный парус, и рулевое весло на корме. У полинезийцев сохранилось предание, что некогда через океан приплыл с востока на плоту легендарный вождь островитян Кон-Тики. В честь его Хейердал и пять его товарищей назвали свой плот «Кон-Тики».
Более трех месяцев продолжалось путешествие шести отважных исследователей. Около 8000 км проплыли они на плоту и доказали высокие мореходные качества древнего перуанского корабля. Об этом плавании Хейердал рассказал в своей увлекательной книге «Путешествие на «Кон-Тики».
О том, когда и как люди научились плавать на плотах и лодках, можно только догадываться. К разным народам это умение пришло, очевидно, в разное время и при различных обстоятельствах. Почти все животные умеют плавать, но иногда они предпочитают пользоваться плывущим мимо них предметом.
Более двух третей поверхности Земли занимают моря и океаны, бесчисленные реки, озера. Мировой океан более миллиарда лет назад стал колыбелью жизни на Земле. Для тысяч видов животных вода — их родная стихия: для рыб, моллюсков и даже млекопитающих, например кита, дельфина, моржа.
После миллионов лет эволюции из океана вышли на сушу земноводные. От них и произошел наиболее совершенный класс животного мира — млекопитающие, среди них и человек. Но увы... Это «высшее творение природы», пройдя миллионнолетний путь развития, утратило среди лесов и гор свои связи с водной стихией. Человеку, ставшему хозяином Земли, вновь пришлось научиться плавать; без этого он не мог бы свободно передвигаться даже в пределах одного материка...Окружавшее материки безбрежное море манило его своей таинственностью. И человек научился преодолевать тысячекилометровые водные пространства: опираясь на силу своего разума, он научился плавать. Сначала инстинктивно, а потом сознательно он познавал законы природы, позволившие ему совершать этот подвиг.
Надо ли подробно рассказывать о значении плавания в жизни человека. Достаточно сказать, что благодаря этому умению человечество расселилось по Земле, по всем ее материкам.
Пока что только военные самолеты летают быстрее звука. Но уже в самом скором времени будут созданы и пассажирские сверхзвуковые самолеты со скоростью полета до 2000 и даже 3000 км/час. Представьте себе, как сократятся тогда расстояния! Ехать из Хабаровска в Москву на поезде нужно больше недели; на воздушном лайнере ТУ-114 этот путь занимает 8 часов, а сверхзвуковой самолет сможет пройти его всего за 3 часа.
Если лететь с востока на запад, то при полете на сверхзвуковом самолете можно «обогнать» время. Если бы мы вылетали из Хабаровска на таком самолете сразу после встречи Нового года, скажем в час ночи, когда в Москве 7 часов вечера, то в столицу мы прибыли бы в 10 часов вечера прошедшего года. Одним словом, мы смогли бы встретить Новый год дважды.
Самолеты, особенно тяжелые сверхзвуковые, требуют для взлета и посадки специальных аэродромов с длинными (3—4 км) бетонными взлетно-посадочными полосами. Строительство таких аэродромов обходится очень дорого, а в горных районах, например, практически вообще невозможно. Поэтому будущие самолеты должны иметь возможность взлетать и садиться либо вертикально, либо на маленьких аэродромах. Такого типа опытные самолеты уже построены. На них устанавливаются или дополнительные вертикально расположенные двигатели, или специальные устройства для поворота струй от основных двигателей вниз.
Авиационная техника будет развиваться и еще дальше. Уже сейчас разрабатываются проекты гиперзвуковых воздушно-космических самолетов. Такой самолет будет обладать скоростью, соответствующей числу М=5, даже 10 и более, и сможет «выпрыгивать» из атмосферы Земли. При входе в атмосферу самолет «отскочит» от нее, подобно плоскому камню,
брошенному вдоль поверхности воды, облетит вокруг Земли, войдет в атмосферу и выберет место посадки.
Такой самолет может быть и последней ступенью ракеты, которая возвращается на Землю после дальнего космического полета. Но чтобы создать самолет такого типа, нужно решить еще много проблем, и первая из них — преодолеть «тепловой барьер», с которым мы познакомились в начале статьи.
Многое для самолетов и других летательных аппаратов можно рассчитать теоретически, особенно теперь, когда на помощь ученым и инженерам пришли электронно-счетные машины, производящие десятки тысяч вычислений в секунду. Но одних расчетов недостаточно. Важнейший критерий всякой теории — практика. Поэтому, прежде чем строить самолет, надо убедиться, правильны ли расчеты. На помощь приходят аэродинамические трубы: в них изучают, как воздух обтекает модели летательных аппаратов. Простейшая принципиальная схема аэродинамической трубы изображена на рисунке 10.
В аэродинамических трубах используется принцип относительности движения: в отличие от естественных условий модель аппарата неподвижна, а воздушный поток движется.
Одна из первых действующих аэродинамических труб была построена Н. Е. Жуковским
в 1902 г. Труба была совсем небольшая, квадратного сечения (0,75 X 0,75 м); скорость потока в ней доходила всего лишь до 9 м/сек, т. е. 32 км/час. А сейчас строят аэродинамические трубы, в которых небольшие самолеты можно исследовать в натуральную величину. Есть трубы, позволяющие развивать очень большую скорость воздушного потока — до М=15—20. В таких «скоростных» аэродинамических трубах создаются условия, близкие к условиям реального полета: давление воздуха изменяется в соответствии с «высотой полета», а поток нагревается.
Если воздушный поток с большим числом М создавать в аэродинамической трубе непрерывно с помощью вентиляторов, потребовалась бы мощность в сотни тысяч киловатт. Поэтому такие трубы чаще всего рассчитаны на прерывное действие: в них расходуется воздух, заранее накачанный в газгольдеры мощными компрессорами.
В современных аэродинамических трубах можно специальными весами быстро и точно измерить силы, которые действуют на модель. Обтекание модели воздухом можно даже сфотографировать. При этом используют изменение оптических свойств воздуха при изменении давления. А можно просто наклеить на поверхность модели короткие легкие шелковинки, которые будут струиться вместе с потоком воздуха. Для испытаний в сверхзвуковых аэродинамических трубах изготовляются металлические модели с очень большой точностью — до сотых долей миллиметра.
Важнейшие физические законы — закон сохранения энергии и закон сохранения массы— играют существенную роль в аэродинамике.
В простейшем случае, когда воздух ведет себя как несжимаемая жидкость, эти законы выглядят сравнительно просто. Вся энергия жидкости складывается из кинетической энергии, которая тем больше, чем больше скорость, и потенциальной, которая определяется статическим давлением в воздухе. Этот закон, окончательно сформулированный швейцарцем Бернулли, указывает: если скорость жидкости растет, то давление будет уменьшаться; если она уменьшается, давление увеличивается.Закон сохранения массы говорит о том, что через любое поперечное сечение потока должно проходить в каждую секунду одно и то же количество газа. Для несжимаемой жидкости закон этот прост: произведение площади поперечного сечения потока на его скорость есть величина постоянная, т. е. чем меньше поперечное сечение потока, тем больше должна быть скорость. Этот закон наглядно проявляется в течении реки: она течет быстрее там, где ее русло мелкое или узкое. Следовательно, там, где скорость потока жидкости увеличивается, его поперечное сечение становится меньше, а по закону сохранения энергии уменьшается при этом и давление.
Когда скорость течения воздуха близка к числу М=1, уже нельзя пренебрегать сжимаемостью, нужно учитывать, что всякий газ при уменьшении давления расширяется и стремится занять больший объем. При этом происходит борьба двух явлений: с одной стороны, увеличение скорости требует сужения потока, а с другой,— это же увеличение скорости приводит к уменьшению давления воздуха, что требует уже расширения потока. Оказывается, при дозвуковых скоростях сильнее первое явление, а при сверхзвуковых — второе.
В 50-х годах самолеты преодолели «звуковой барьер» — их скорость стала больше скорости звука, т. е. больше 1200 км/час, или 340 м/сек (на большой высоте, где температура ниже, скорость звука уменьшается). Преодолеть этот барьер было нелегко.
Когда какое-нибудь тело, например крыло самолета, движется, в воздушной среде возникают возмущения в виде волн сжатия и разрежения. Они «подготовляют» воздух к обтеканию крыла: частицы воздуха приобретают скорость и «расступаются» еще до того, как их достигнет передняя кромка крыла. Но так будет лишь в том случае, если скорость движения крыла меньше скорости звука, с которой распространяются возмущения. Только при этом условии возмущения смогут обогнать крыло и «подготовить» воздух к «встрече» с ним. В результате воздух плавно обтекает крыло.
Если же крыло двигается быстрее, чем звук, то возмущения уже не обгоняют крыло и не подготавливают воздух к «встрече». Мало того, распространяясь во все стороны в неподвижном воздухе, эти возмущения будут накопляться, сжимая воздух, как это показано на рисунке, вдоль двух линий, которые называются ударными волнами. Обтекание крыла уже не будет плавным. Это создает дополнительное, так называемое волновое сопротивление. (Когда самолет пролетает со сверхзвуковой скоростью, то на земле мы часто слышим как бы удары грома — это доходит до нас ударная волна). Поэтому при сверхзвуковой скорости сопротивление движению значительно больше.
Воздух, как и жидкость, обладает весом и давлением. На уровне моря 1 м3 воздуха весит приблизительно 1,3 кг, а атмосферное давление — около 1 бар. С увеличением высоты плотность воздуха и давление в нем резко уменьшаются.Высоту в 40—60 км, где плотность и давление воздуха уменьшаются в сотни раз, обычно считают практической границей атмосферы.
«Всякое тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость» — этот закон Архимеда может быть отнесен и к воздуху. Поэтому для преодоления силы тяжести надо, чтобы летательный аппарат был очень легким и при этом вытеснял бы значительный объем воздуха. Такой аппарат можно себе представить просто в виде пустотелого шара, из которого выкачан воздух. Но на такой шар будет действовать большое атмосферное давление, и оболочка его должна быть очень прочной.
При современном уровне техники нельзя сделать оболочку одновременно и легкую и достаточно прочную. Но если шар заполнить газом более легким, чем воздух (т. е. с меньшей плотностью), то давление изнутри и снаружи шара можно уравновесить. Обычно используют водород или гелий: водород в 14, а гелий в 7 раз легче воздуха.
Первые воздушные шары заполнялись нагретым воздухом: при нагревании воздух расширяется и становится легче. Такие воздушные шары были впервые построены в конце XVIII в. во Франции братьями Монгольфье. Модель такого шара нетрудно сделать самому. Надо склеить его из долек папиросной бумаги и снизу через отверстие наполнить теплым воздухом, подержав шар, например, над костром. Шар перестанет летать, когда воздух в нем охладится.
Люди издавна мечтали о покорении воздушной стихии. Народная фантазия рисовала ковры-самолеты, крылатые колесницы, огромных сказочных птиц, которые переносили человека по воздуху.
Чтобы полететь, надо преодолеть земное притяжение. «Человек,— говорил отец русской авиации Н. Е. Жуковский,— полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума». Наблюдая природу, человек постепенно постиг физические законы, осознал их и использовал для создания летательных аппаратов разных типов.
Очевидно, по образу и подобию парящих в небе облаков были созданы первые средства полета: летательные аппараты легче воздуха— воздушные шары, дирижабли. Воздушные шары и сейчас используются для изучения атмосферы, для решения задач геофизики и метеорологии.Птицы опираются в полете на воздух; они подсказали человеку принцип летательных аппаратов тяжелее воздуха — планеров, самолетов и вертолетов. Уже сейчас самолеты летают быстрее звука и превышают скорость артиллерийских снарядов (скорость звука — около 1200 км/час, снаряда —около 2000 км/час). Самолеты могут подниматься на 25 и даже на 40 км. Ни одна птица не летает так быстро и так высоко.
Брошенный камень летит по инерции, если ему сообщить достаточную начальную скорость. На этом принципе человек создал ружье, пушку, ракету.
При длительных полетах, вроде пятидневного полета Валерия Быковского, усидеть в кресле трудно. Да в этом и нет необходимости. Просторная кабина позволяет, отстегнув ремни, выходить из кресла, сделать зарядку и свободно «поплавать» в кабине.Гагарину еще не разрешали выходить из кресла: было неясно, как отразится длительная невесомость на состоянии человека, сможет ли он снова надежно пристегнуться ремнями к креслу и т. д. Но первые же полеты исключили все сомнения. Николаев и Попович по нескольку раз отстегивались и «плавали» по кабине. К их полетам кабина была несколько перестроена — стало проще и удобнее выходить из кресла.
Космонавты рассказывали, что они с нетерпением ждали этот час, предписанный программой полета, отстегивались, делали зарядку и подолгу парили в невесомости.
Многие устройства в кабине рассчитаны на невесомость. Вся внутренняя поверхность кабины выложена мягким материалом, чтобы оградить выходящего из кресла пилота от ушибов. Все предметы закреплены или помещены в карманы, тюбики и пакеты с пищей уложены в закрытый ящик, а карандаш, которым космонавт вносит записи в бортжурнал, привязан на длинном шнуре.
Валерий Быковский особенно подробно демонстрировал состояние невесомости. На экранах телевизоров весь мир мог видеть, как перед лицом космонавта повисал тюбик с питательным желе, как от толчка пальцем тюбик отправлялся путешествовать по кабине корабля или начинал вращаться.
Но невесомость приводит не только к забавным положениям из-за того, что предметы теряют вес и беспорядочно плавают по кабине. Невесомость накладывает свои отпечаток на работу человеческого организма, на его ощущения, особенно на работу так называемого вестибулярного аппарата.
Этот орган обеспечивает равновесие и вертикальное хождение человека — эхо как бы датчик вертикали в нашем организме. Работа этого органа определяется воздействием силы тяжести.
Специальные полеты на самолетах, а затем полеты космонавтов показали, что исчезновение тяжести не вызывает неприятные ощущения. Наиболее всесторонние наблюдения велись на корабле «Восход». Каждый человек воспринимает невесомость по-своему. Тщательно анализируя свои ощущения, Егоров и Феоктистов обнаружили, что, когда глаза закрыты, начинает казаться, что ты находишься в перевернутом положении. Егорову, например, казалось, что его лицо направлено вниз, а у Комарова вообще не возникало никаких иллюзий «перевернутого положения». Все трое отмечали, что эти ощущения не были особенно неприятными и появлялись лишь, когда на них сосредоточено внимание. Наблюдая за своими ощущениями, космонавты заметили также, что резкие движения головой вызывают легкое головокружение. Но, во всяком случае, все эти отклонения от нормального состояния не мешали работе.
Советские ракеты приобретают все большую и большую мощность, а вместе с этим растет и возможность познавать окружающее нас космическое пространство. Ракета-носитель второго советского спутника могла бы доставить на Луну груз в несколько килограммов, а уже через два года к Луне была послана автоматическая межпланетная станция (АМС) «Луна-3» с общим весом ракеты 2,5 т.
Но не только мощность двигателей определяет возможности космических кораблей, не менее важно совершенствовать систему управления. Оно должно быть чрезвычайно точным. Если полет ракеты рассчитан на 8—10 км/сек, ошибка в скорости даже на несколько метров в секунду считается недопустимой. Также недопустима и ошибка на доли градуса в направлении полета. Но мало этого. Чтобы послать к Марсу или к Венере насыщенную приборами автоматическую станцию, нужно увеличить мощность ракеты или резко усложнить схему старта, т. е. стартовать со спутника, как предлагал еще Циолковский.
Эта задача была блестяще решена советскими учеными и инженерами. 12 февраля 19(51 г. с тяжелого спутника, выведенного предварительно на орбиту вокруг Земли, стартовала космическая ракета с автоматической станцией «Венера-1». Когда ракета достигла заданной точки пространства с заданными направлением полета и скоростью, ее двигатель выключили.В тот же момент автоматическая станция отделилась от ракеты и начала свой свободный полет к Венере.
Смысл такого сложного запуска в том, что затрата энергии на полет ракеты зависит от географической широты, на которой дан старт. Запуск ракеты с промежуточной орбиты позволил выбрать оптимальную (наивыгоднейшую) точку старта, а это дало возможность уменьшить вес топлива и соответственно увеличить вес станции.