Кварки часть 46

Кварки часть 46

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдаемая в свободном состоянии, но входящая в состав адронов (сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 10;16 см[3], что примерно в тысячу раз меньше размера протона.

Кварки — гипотетические частицы с дробным электрическим зарядом, из которых, возможно, состоят некоторые элементарные частицы, по крайней мере все адроны (при этом барионы из трех кварков, а мезоны из двух кварков.

В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк — античастица с противоположными квантовыми числами.

В апреле 1930 года орднанский филиал Комитета по оружию и баллистике немецкой армии, возглавляемый генералом Бекером, назначил капитана Уолтера Дорнбергера руководить работами по совершенствованию ракет на полигоне в Куммерсдорфе, в 20 километрах к югу от Берлина. Через два года, после ряда экспериментов, направленных на достижение устойчивости полета и разработку совершенного двигателя, VfR продемонстрировал Дорнбергеру и другим офицерам в Куммерсдорфе одну из своих жидкостных ракет. В 1933 году, когда к власти пришел Гитлер, общество перешло под командование нацистов и стало частью куммерсдорфской программы.
Таким образом, большинство немецких инженеров руководствовались в своей работе идеями Годдарда, в то время как Соединенные Штаты относились к нему с недоверием и даже презрением.
В декабре 1934 года с острова Боркум в Северном море были запущены две сконструированные в Куммерсдорфе передовые ракеты А- 2, управляемые с помощью гироскопа, с двигателями, работавшими на кислороде и спирте. Ракеты поднялись на высоту два с небольшим километра. Эти стабилизированные жидкостные ракеты были предшественниками ракет Роберта Годдарда.
Но это еще не все. В 1936 году капитан Уолтер Дорнбергер, глава Ракетостроительного исследовательского института, его ассистент Вернер фон Браун и команда из 150 техников продемонстрировали еще несколько двигателей, включая один с беспрецедентной реактивной тягой в 870 килограммов. Эта демонстрация произвела такое сильное впечатление на немецкого главнокомандующего генерала Фрича, что он дал разрешение Дорнбергеру и фон Брауну построить независимую ракетную базу в отдаленной части Германии, где в обстановке строжайшей секретности проводились бы исследования и испытания ракет. База эта находилась около деревни Пенемюнде на острове Узедом на берегу Балтики.
Все, что произошло потом, вошло в историю. После многочисленных экспериментов в дозвуковой аэродинамической трубе Цеппелина в Фридрихсхафене и сверхзвуковой аэродинамической.трубе в университете Аахена оснащенные совершенными гироскопическими контрольными системами известной компании "Сименс" радиоуправляемые ракеты А-2 поднялись на высоту шесть с лишним тысяч метров, развив при этом скорость, равную скорости звука. В конце 1944 года немцы обстреливали ракетами "Фау-1" и "Фау-2" Лондон.
Не так хорошо известно, что, когда ракеты "Фау-2" подверглись исследованию ученых союзников в захваченном Нордхаузене в конце войны, было установлено, что основные характеристики двигателя - клапан волнорезного типа в фиксированной решетке, форсунка, вмонтированная в ту же решетку, камера сгорания, свеча зажигания и сопло - значатся в патенте, выданном Роберту Годдарду 13 ноября 1934 года, который был полностью опубликован в немецком журнале, посвященном проблемам авиации. Помимо этого в обеих ракетах были одинаковые
системы охлаждения, насосные приводы, стабилизаторы, системы управления и зажигания. По сути, единственным отличием было то, что годдардовские ракетные двигатели работали на кислороде и газолине, а "Фау-2" - на водороде и перекиси; ракетное топливо Годдарда состояло из жидкого кислорода и газолина, а топливо "Фау2" - из жидкого кислорода и спирта; наконец, годдардовские ракеты были намного меньше "Фау-2".
Ракеты "Фау-2" имели реактивную тягу 1375 километров фунтов, развивали скорость 1920 метров в секунду и достигали высоты 108 километров. Все это свидетельствует о том, что немцы взяли на вооружение теории Годдарда, которыми пренебрегли Соединенные Штаты, и создали на их основе передовую сверхзвуковую технологию. Они осознали благодаря Годдарду необходимость гироскопического контроля и управления пограничным слоем.
Что такое пограничный слой? Хотя воздух в 4 тысяч или 5 тысяч раз менее вязкий, чем масло, он все-таки вязкий. Из-за этого тонкая область течения воздуха у поверхности обтекаемого твердого тела образует сопротивление, вследствие чего уменьшается скорость полета. Эти слои воздуха называются пограничным слоем - сопротивление пограничного слоя увеличивается прямо пропорционально скорости летательного аппарата, в связи с чем скорость и маневренность его резко снижаются.
Хотя пограничный слой воздействует на все формы полета, главной сложностью полета на сверхзвуковой скорости является перемещение отрицательного воздуха как можно ближе к хвосту, таким образом снижается расход энергии, необходимой на продвижение самолета вперед. Более того, возможно, что совершенный самолет мог бы - не за счет пол
ного перемещения пограничного слоя, а за счет перенаправления его и использования как дополнительной движущей силы - летать, используя в основном сам вытесняемый воздух. Если бы это было выполнимо, самолет был бы способен развивать значительную скорость, используя минимум топлива.
Немцы работали над всеми аспектами пограничного слоя еще до первой мировой войны.
Физик доктор Эдуард Людвиг сотрудничал с известным авиаконструктором Гуго Янкерсом на его заводе в Дессау, и в 1911 году они одними из первых разработали проект "летающего крыла". По мнению Людвига, первым физиком - приверженцем "нового направления в аэродинамике" - был профессор Жуковский. Перед первой мировой войной Жуковский работал с доктором Куттой из Высшей технической школы в Штутгарте, Германия, над совершенствованием теории планирования, и они вывели дифференциальное уравнение пограничного слоя, что помогло раскрыть механизм возникновения подъемной силы крыла. По словам Людвига, теория Жуковского - Кутты является основополагающей для всей аэродинамики.
Однако еще раньше, в 1904 году, в Аэродинамическом экспериментальном институте в Геттингенском университете физик профессор Людвиг Прандтль ввел понятие пограничного слоя, что в свою очередь привело к пониманию способа уменьшения лобового сопротивления крыла и других движущихся тел путем улучшения условий обтекания. Теории Прандтля вскоре стали основополагающими в аэродинамике, он сделал выдающиеся достижения в теории дозвукового полета, сконструировал новый тип аэродинамической трубы и другие аэродинамические приборы.
К 1915 году другой член Высшей технической школы в Штутгарте, профессор Бауман, использовав теории Прандтля, получил патент на особый тип крыла, благодаря которому достигались искусственное прерывание потока воздуха, разрыв пограничного слоя и, следовательно, торможение и уменьшение посадочной скорости.
Антон Флеттнер, директор Института аэро- и гидродинамических исследований в Амстердаме, изобрел винтокрылый летательный аппарат, двигающийся за счет вращающихся цилиндров, установленных вертикально на платформе. В 1926 году он построил авиационный завод в Берлине, где использовал так называемый ротор Флетгнера для FI 282 и других вертолетов. Вскоре ротор Флетгнера ("цилиндр, вращающийся с большой скоростью") был использован профессорами Прандтлем, Людвигом и другими в исследованиях по увеличению подъемной силы крыла.
Экспериментаторы сталкивались с большими трудностями, что стоило жизни четырем пилотам. Это произошло из-за необъяснимых вибраций и поломки оси, это привело ученых к выводу, что "только газовая турбина может обеспечить необходимую подъемную силу цилиндра". В результате была построена аэродинамическая труба, где проводились необходимые эксперименты по взаимодействию сверхзвуковых скоростей и пограничного слоя, которые завершились первым успешным полетом реактивного самолета в 1939 году, а также запуском "Фау-1" и "Фау-2" в конце второй мировой войны.
Немецкие ученые и инженеры были уверены, что совершенный летательный аппарат должен совершать вертикальный взлет и не требовать взлетно-посадочной полосы, быть способным парить высоко в воздухе, при этом пограничный слой не должен ограничивать его в маневренности и скорости. Так как нарастание пограничного слоя сильно увеличивалось из-за множественных выступающих частей самолета - крыльев, хвоста, руля направления, несущего винта, кабины, - казалось, что, стоит избавиться от них, совместив какимто образом все детали в одно закругленное гладкое крыло, и будет сделан первый шаг в преодолении сопротивления пограничного слоя.
Именно Германия проявляла наибольший интерес к такого рода исследованиям, и там -имелся необходимый для этого потенциал. Летательный аппарат в виде диска или тарелки без всяких выступающих частей, управляемый сверхзвуковым двигателем, - вот что было необходимо, и многие проекты того времени основывались на этой концепции. Не случайно уже в 1935 году немец Ганс фон Огайн обратился за патентом на реактивный двигатель. И неудивительно, что 27 августа 1939 года был осуществлен первый полет реактивного самолета "хейнкель" - "He-178" в Ростоке, Германия.
Что касается машины с вертикальным взлетом, компания "ФоккеАхтелис" объявила в 1939 году, что почти закончила строительство вертолета "FW-61", который являлся первым действующим вертолетом. То, что немцы изобрели первый действующий вертолет, но не использовали его во время второй мировой войны, может означать то, что они уделяли больше внимания созданию бесхвостового самолета или "летающего крыла" без вертикальных стабилизирующих поверхностей или управляющих поверхностей. К 1932 году братья Хортен из Бонна сконструировали несколько удачных моделей для немецкого министерства авиации на своем заводе в Бонне. "Хортен 1" был самолетом типа "летающее крыло", модель была выполнена с деревянной обшивкой. Размах крыла был 13,5 метра, площадь - 75,3 квадратного метра, удельная нагрузка на крыло 800 граммов на 0,3 квадратного метра. Взлетный вес равнялся II килограммам, угол планирования - 21 градусу, продолжительность полета - приблизительно 7 часам. Братья Хортен были убеждены, что самый перспективный тип самолета "летающее крыло", на "Хортен 1" не было вертикальных стабилизаторов или органов управления. Он был практически плоским и серповидным, как бумеранг, пилот находился в положении полулежа, благодаря чему стало возможным уменьшить размер кабины. Это так называемое "летающее крыло" могло находиться в воздухе 7 часов, но оно не могло стать прототипом летающей тарелки, и вот почему: этот летательный аппарат имел те же проблемы, что и другие инженерные находки, - ограничения, связанные с пограничным слоем.
Более совершенная модель "Хортен II D-II-167", была сконструирована в 1934 году и прошла испытания в Рангсдорфе, Германия, 17 ноября 1938 года. По сообщению Ханны Рейч (известной женщины-пилота, которая также испытывала вертолет "Фокке-Ахтелис" в том же году), этот тренировочный полет был в высшей степени неудовлетворительным. Этот так называемый бесхвостовой самолет обладал высокой продольной статической устойчивостью и полной безопасностью в отношении щтопора, но несовершенная конструкция шасси приводила к затяжному взлету; соотношение между продольным, поперечным и непосредственным управлением было неудовлетворительным; повороты и маневры выполнялись с трудом; невозможно было выполнить скольжение на крыло.
Тем не менее проекты Хортенов были первым шагом к дисковым самолетам и вызвали большую заинтересованность среди союзнических ученых и офицеров разведки, которых занимал вопрос возможности создания немцами или русскими на основе немецких разработок летающих тарелок.
В то время как продолжались эксперименты с "летающим крылом" и сферическими летательными аппаратами, многие немецкие ученые, включая профессора Берца, Флеттнера и Янкерса, экспериментировали с особыми конструкциями крыльев, пытаясь преодолеть сопротивление пограничного слоя. Большинство экспериментов базировалось на методе "отсасывания", когда отрицательный воздух всасывался в само крыло через крошечные отверстия и щели, а потом вытеснялся насосом, расположенным в фюзеляже.
Хотя это и был шаг в верном направлении, такой самолет попрежнему требовал тяжелого двигателя (это была также основная проблема для реактивного бомбардировщика типа "летающее крыло" Хортенов). Было распространено убеждение, что для полного преодоления сопротивления пограничного слоя - и для использования "мертвого" воздуха не только для ускорения, но и для улучшения маневренности - необходимо было исключить все выступающие части, такие, как крылья, руль направления и даже обычные воздухозаборники, а также тяжелый большой двигатель. Другими словами, этот революционный летательный аппарат должен быть совершенным летающим крылом с минимальным сопротивлением, отсосом "мертвого" воздуха из пограничного слоя и использованием этого воздуха, вытесняемого с большой силой, для увеличения собственного количества движения. Поэтому это должно бьщо быть крыло, закругленное вокруг всасывающего насоса, который является неотъемлемой частью двигателя; такая машина внешне должна выглядеть как тарелка.
Далее: если бы такой летательный аппарат был построен из пористого металла, он действовал бы как губка, тогда необходимость воздухозаборников отпала бы, что устранило бы трение во время полета.
Выступая на лекции памяти Уилбура Райта, проходившей 30 мая 1946 года в Королевском авиационном обществе в Лондоне, широко известный британский специалист по аэродинамике профессор Э. Ф. Рельф утверждал, что "усовершенствованная система управления пограничным, слоем посредством отсоса сквозь мельчайшие отверстия на поверхности" недавно принята Национальной физической лабораторией. Обсуждая эти проблемы на конференции, проходившей в декабре того же года, Бен Локспейсер заметил, что такой самолет "будет скользить по воздуху, подобно тому как мокрое мыло скользит между пальцами". Скорость и маневренность такого аппарата были бы безграничны.
Материал подготовлен на основе информации открытых источников.