Проблема аэродинамического нагрева, поставленная передо мной, носила принципиальный характер, определяющий перспективность ракет дальнего действия, так как считалось, что ее головная часть может сгореть в атмосфере. В критической точке развивалась температура до 10 000° С, т.е. практически тело испарялось. Мои коллеги даже посмеивались надо мной.
Логика выбора способа предохранения от сгорания тел, летящих с высокими скоростями в атмосфере, была следующая. Решение проблемы аэродинамического нагрева я начал с изучения падения метеоритов. Их встреча с Землей происходит в диапазоне скоростей от 15 км/с (догоняющие) до 75 км/с (встречные). Для космических аппаратов этот диапазон колеблется от 8 км/с до 16 км/с, головные части имеют скорость примерно 6 км/с. Для метеоритов тепловые потоки в тело так велики, что тепловой процесс (нагрев, плавление, испарение) происходит в пленке толщиной менее 1 мм. При падении на Землю метеорит уже холодный. Для головных частей МБР тепловые потоки выше, чем в ЖРД.
В критической точке температура достигает десятка тысяч градусов. Это была первая информация о воздействии набегающего потока. Затем я стал усиленно знакомиться с охлаждением новых ЖРД и в том числе с ЖРД Фау-2. Там критическое сечение дополнительно охлаждалось через отверстия, в которые поступал охладитель. Но это была уже другая физическая картина охлаждения, т.е. именно охладитель снимал тепло, а в метеоритах кинетическая энергия набегающего потока преобразовывалась в тепловую, хотя некоторая доля этого процесса в ЖРД присутствует. В-третьих, у меня давно была информация о том, как охлаждают воду на Востоке. Воду помещают в пористый кувшин и ставят на солнце. вода просачивается через поры, испаряется и за счет теплоты испарения вода в кувшине на солнце охлаждается. Используя всю эту информацию, я пришел к идее испарительного охлаждения. которая состоит в организации вертикального потока газа от стенки (например, испарения или подачи его через поры тела), изменяющего эпюру скоростей у стенки и нарушающего преобразование кинетической энергии набегающего потока в тепло. Эту идею я сформулировал примерно в 1952 г. после получения задания от М.К. Тихонравова. В период с 1952 по 1953 гг. мы сИ.М. Яцунским разработали основы теории такого способа и метод расчета.
Проведенные расчеты показали, что при ничтожно малых расходах «смазывающего» газа резко падает нагрев. Требовалось экспериментальное подтверждение этих результатов.
Мной была разработана методология этих сложных экспериментов, проводимых впервые. Весной 1953 г. была изготовлена конусная пористая модель (державка) с теплоизоляцией, что принципиально для составления теплового баланса модели, установка питания охладителем (водой) модели с регулированием и измерением его расхода. Пористые модели мне помог получить В.Н. Галковский, используя свои производственные связи. Он работал в КБ на заводе НИИ-4. После этого я попросил М.К. Тихонравова перевести его в нашу группу.
Особенно трудно было создать метод измерения мизерных расходов воды. Я объездил все соответствующие организации, был в Палате мер и весов. Мне сказали, что такие расходы измерить нельзя. Тогда я сам придумал такой способ и сам сделал измерительную аппаратуру. Упорно не верил в этот способ измерения расхода И.М. Яцунский и поверил только тогда, когда прошла тарировка аппаратуры, показавшей высокую точность измерений. Эксперименты проводились в НИИ-1 МАП в лаборатории члена- корреспондента АН СССР Г.И. Петрова при участии механика аэродинамической трубы Али Калимулина при температуре торможения +800° С, расходе воды 0,02 г/см^/мин (т.е. модель была едва сырая), при температуре подаваемой воды в пористую модель +14° С; термопары, установленные на поверхности конусной модели, показали температуру -5° С. Эффект был настолько ошеломляющим, что мне не поверили, и по заданию Г.И. Петрова эксперименты были проведены повторно. Результаты их подтвердились.
В НИИ-1 меня вызвали в сектор аспирантуры и предложили подать документы для поступления в аспирантуру по рекомендации Г.И. Петрова. Но этого ему показалось мало, и он добился письма от замминистра МАП к замминистру МО о моей срочной демобилизации и переводе для постоянной работы в НИИ-1 или о длительном прикомандировании к этому институту. Хочу подчеркнуть, что Георгий Иванович Петров на всю жизнь остался для меня идеалом ученого и замечательного человека. В это же время в нашем НИИ-4 МО на меня была составлена отрицательная служебная характеристика о совершенной непригодности к научной работе и о переводе меня в строевую часть. В это время в НИИ-4 МО пришло письмо от замминистра обороны маршала СССР И.С. Конева с блестящей оценкой моих научных способностей. Конфуз получился порядочный. Ответ был такой: демобилизовать не можем, он нужен НИИ-4, а прикомандировать можно всего на три дня, ввиду его чрезвычайной занятости.
Проблема спасения головных частей МБР и КА, спускающихся с орбит, была решена. Теперь на их поверхность наносится испаряющаяся (сублимирующая) обмазка, работающая по той же схеме, которая была исследована нами в НИИ-1 МАП. Выбор пористой модели был удобен для этих экспериментов, а кроме этого, для космических многоразовых аппаратов, особенно с высоким аэродинамическим качеством, где обгорание недопустимо, могут использоваться пористые поверхности, и форма аппарата меняться не будет. Кромки могут охлаждаться струей охладителя высокого давления через щелевые отверстия в кромках аппарата.
Для уточнения методики определения последствий вдува охладителя в пограничный слой в НИИ-4 в рамках отдела и нашей группы была создана группа под моим руководством для реализации предложенного мной нового метода исследования пограничного слоя со вдувом охладителя в трубах без подогрева до М-4 на пористых моделях с использованием метода Теплера (метода изофоты) в 1954-1955 гг.
В группу входили следующие научные сотрудники: инженер- капитан А.А. Чинарев (будущий генерал и начальник управления 50-го ЦНИИ МО), Г.А. Колегов, 3.С. Гречкина, а также механик аэродинамической трубы А.М. Тюленев и техники В.Я. Якимычева, 3. Андросова, Л. Чуклуева.
Целью экспериментов было непосредственное получение эпюр скоростей и выявление влияния на них расхода вдуваемого охладителя. Обработка результатов велась на стационарном измерительном микроскопе УИМ-21. Зоя Сергеевна Гречкина впервые в НИИ-4 разработала программу обработки результатов на ЭВМ. Расчеты велись в ВЦ на Хорошевском шоссе. Эти эксперименты полностью подтверждали предыдущие. Достаточно длительные эксперименты на моделях разной формы показали хорошее совпадение с расчетными результатами. Исследования велись очень напряженно и круглосуточно, в две смены.
Особое внимание было уделено непосредственному измерению эпюр скоростей в пограничном слое при вдуве в него воздуха через пористую оболочку модели и их измерения в зависимости от расходов вдуваемого воздуха......