Городомля: Немецкие исследователи ракет в России - Вернер Альбринг

Тем самым, для достижения дальности полета надо было использовать целую батарею ракет. Или, все-таки, это препятствие можно преодолеть? Я подумал, что до сих пор рассчитывал повышение температуры только воздуха, но, чтобы тепло от воздуха перешло к ракете, требуется определенное время. А ведь время полета ракеты очень непродолжительно. Активная фаза движения к началу восходящей ветви траектории полета, в то время, когда еще работает двигатель, длится не более одной минуты. Вполне возможно, что температура в оболочке в течение такого короткого времени, повышается не так сильно. Я должен был попытаться рассчитать разогрев оболочки при сверхзвуковом полете. Мне было неизвестно, делал ли кто-нибудь такие расчеты раньше. В Городомле в нашем распоряжении были только те книги, которые мы взяли с собой. Я нашел в одной из моих тетрадей старую работу Геттингенского теоретика Адольфа Буземанна, который рассчитал коэффициент теплопередачи от воздуха к стенке при высокой скорости полета для ламинарных пограничных слоев. Я применил этот расчет для турбулентного пограничного слоя, полагая, что он присутствует при полете ракеты. Я использовал работу гидроаэродинамика Теодора фон Кармана, который рассчитал теплопередачу на основании аналогии между элементарными уравнениями трения и теплопереноса. Результаты моего расчета показали, что в течение полета достигаются температуры, которые несколько ниже температуры в передней критической точке. Для нашей ракеты я мог из расчета баллистической траектории полета использовать мгновенные значения скорости и плотности воздуха и численным методом решить дифференциальное уравнение теплоотдачи. Результат расчета позволил увидеть, что тепло передается довольно медленно и что температура всей оболочки все же остается гораздо ниже температуры в передней критической точке. На восходящей ветви траектории полета она имеет более низкие значения, чем на нисходящей вблизи цели. Но и на восходящей ветви температура корпуса достигает такого значения, при котором обычные листы легких металлов, применяемые в авиастроении, могут потерять свою прочность. Значит, надо применять листовую сталь. Расчет показал, что теплообмен увеличивается с ростом произведения плотности воздуха на скорость полета. Вследствие этого разница между теплообменом на восходящей и нисходящей ветви траектории полета очень большая. При подъеме высокая скорость достигается на большой высоте, там плотность воздуха мала. Поэтому повышение температуры — умеренное. На нисходящей ветви, то есть вблизи цели, скорость остается примерно такой же, а плотность воздуха у поверхности земли имеет наибольшее значение. Там тепло передается корпусу ракеты очень интенсивно. В результате я получил температуры, которые могли бы разрушить даже стальную оболочку.

Таким образом, мне показалось, что причина «преждевременного взрыва в воздухе» ракеты А4 найдена. И для еще более скоростной ракеты Г1 с большей дальностью полета этот эффект мог бы стать непреодолимым препятствием и затруднил бы использование подобных ракет дальнего действия.

Выход предложил господин Греттруп, который воскресил старую идею инженеров из Пенемюнде, состоявшую в том, что передняя часть ракеты, то есть грузовая головка, несущая взрывчатое вещество, после пролета по восходящей ветви траектории отделяется от остального уже отработавшего корпуса ракеты. Только грузовая головка летит к цели, и только она имеет необходимую прочную оболочку. Отделившийся корпус ракеты cгорает в толстом слое земной атмосферы.

Теперь, оглядываясь назад, можно быстро и легко рассказать об обосновании и разработке расчетного метода. Но в технике и естествознании процесс поиска оптимального решения зачастую вовсе не так прямолинеен, как это может показаться потом, а обманчивая ясность результата подразумевает длительные размышления и сомнения, следование окольными и тупиковыми путями. Это так называемый метод проб и ошибок — «Trial and error», когда постепенно, шаг за шагом, нащупываются предпосылки и способы решения проблемы. Неоднократно происходит возвращение назад, в ту исходную точку, где еще не было никаких сомнений, исправляются найденные ошибки и снова начинается осторожное прощупывание новых направлений поиска. При этом требуются как знания, так и идеи, поэтому при работе над решением новой и трудной задачи полезна каждая дискуссия, каждое критическое замечание коллег. И когда окончательный результат достигнут и четко сформулирован, мало кто может представить себе те сложные и запутанные пути, которыми исследователь пришел к этому результату. Все ненужное отсекается, остается ясная и последовательная цепь рассуждений.

В Городомле наша исследовательская работа сильно осложнялась невозможностью контактов с аэродинамическими и термодинамическими институтами, недостатком современной литературы и отсутствием доступа к библиотекам. Надо отдать должное, состав нашего коллектива был очень подходящим для быстрого решения задач. Во-первых, теоретиков стимулировало то, что вопросы ставили специалисты-практики. Во-вторых, конструкторы и исследователи работали вместе, под одной крышей, а общая задача требовала именно тесной совместной работы.

Тогда вопрос разогрева корпуса ракеты, которая летит со сверхзвуковой скоростью, был неясен даже специалистам и вызывал недоверие и много возражений даже в рядах собственного коллектива. Некоторые коллеги не верили в существование этого эффекта, со стороны русских инженеров, как рассказывал мне господин Греттруп, также высказывались скептические соображения. Тогда я еще не мог подтвердить мои расчеты результатами экспериментов. Это удалось только, когда мы построили в Городомле собственную аэродинамическую трубу. Также в конце нашего пребывания в Городомле, когда мы получили возможность познакомиться с иностранными техническими журналами, я прочитал (мне кажется, это был американский «Journal of the Aeronautic Science») об измерениях, которые подтверждали мое представление о теплопередаче при высокой скорости. Очень часто в разных точках Земли одновременно работают над одинаковыми проблемами. Сегодня любой студент находит подобный метод расчета характеристик пограничного слоя в учебнике по термодинамике как общепризнанное достижение науки.

А тогда профессор Вальтер Пауер, термодинамик, был первым коллегой, который со мной согласился. Он рассказал о своем опыте в Первую Мировую войну. Если взять неразорвавшуюся вражескую артиллерийскую гранату, которую солдаты называют «неудачником», то после падения она очень горячая. Я подумал, что даже маленькое космическое тело, попадая с большой скоростью в земную атмосферу, разогревается таким же образом и светится как метеор. Доктор Иоханнес Хоппе, астроном, работавший в секторе измерительной техники, тут же согласился со мной. Он использовал мой новый метод, чтобы рассчитать на досуге разогрев метеоритов и метеоров.

Господин Иоханнес Хоппе, которого русские называли «Гоганнес Гоппе», позднее, возвратившись на родину, многие годы работал профессором астрономии в университете города Йена. Незадого перед его восьмидесятишеститилетием вновь открытый астероид был назван его именем.

Начиная с этого времени, в коллективе Городомли в каждом проекте ракеты рассчитывалась температура стенок корпуса в зависимости от времени полета. Конструкторы и прочнисты были весьма довольны этим результатом.

Я разработал этот метод настолько, что по имеющейся таблице-схеме, исходя из предполагаемой баллистической траектории полета, заданного материала стенок и заданной толщины оболочки, можно было предварительно рассчитать изменение температуры во время полета. Сначала все табличные расчеты делала Лидди, которая работала расчетчицей в секторе аэродинамики. Однажды когда нужно было быстро рассчитать температуру сразу для нескольких проектных вариантов, главный инженер распорядился, чтобы и небольшой сектор химии также принял участие в этих вычислениях. Все расчеты делались при помощи обычной логарифмической линейки, изобретенной Уильямом Аутредом (William Oughtred, 1574–1660) еще во времена раннего барокко.

ВСЕ ПО ПЛАНУ, ВСЕ ПОД КОНТРОЛЕМ

Русские придавали очень большое значение планированию работы и контролю над ее выполнением. Основной план составлял господин Греттруп, консультируясь с руководителями секторов. В свою очередь руководители секторов вместе со своими сотрудниками разрабатывали конкретные детали плана, так чтобы у каждого была своя часть работы. Были строго установлены все промежуточные сроки конструирования, проведения измерений, написания научных отчетов. Каждый руководитель сектора ежемесячно заполнял формуляр, в котором в процентах регистрировалось, насколько полно выполнен объем запланированных работ. При проведении систематических измерений установить это было довольно просто, при конструировании еще возможно, но при разработке новой теории очень трудно. Между тем, мы должны были признать, что метод ежемесячной проверки очень дисциплинировал нас. Русское руководство требовало безусловного выполнения установленного плана.