Первые расчёты на ЭВМ М-2 нагрева баллистических ракет при движении в атмосфере

Ю.А. Лавренюк (Институт проблем информатики РАН),
Т.В. Баженова (Институт высоких температур РАН)

После окончания Великой отечественной войны США не долго оставалась монопольным обладателем ядерного оружия. Однако, для установления равновесия в мире нам необходимо было иметь не только бомбу, но и средства ее доставки через океан. При конструировании межконтинентальной баллистической ракеты возникла проблема теплозащиты. При гиперзвуковом обтекании ракеты перед ней  возникает отошедшая ударная волна (УВ), параметры которой на фронте вблизи передней критической точки практически совпадают  с параметрами за прямым скачком уплотнения. Оценки параметров воздуха за скачком по идеальной теории показали, что температура может достигать 15000 К (!). Это требовало такого количества теплозащитного материала, что ракета не могла бы подняться. Тогда ракетчики обратились к физикам с просьбой определить температуру за скачком в реальном газе с учётом расхода энергии на внутренние степени свободы молекул. Расчёт термодинамических параметров диссоциированного и ионизированного газа при высоких температурах требует численного решения системы алгебраических уравнений, связывающих состав газа с температурой и давлением по закону действующих масс через константу равновесия. Расчёт является весьма сложным и может быть выполнен только при помощи цифровой ЭВМ.

В те годы, когда в СССР создавались первые в мире межконтинентальные ракеты, в стране действовала только одна БЭСМ-1, которая вплотную была занята ядерщиками. Необходимые расчёты удалось произвести на создаваемой в лаборатории И.С. Брука в Энергетическом институте АН СССР ЭВМ М-2. Машина эта разрабатывалась в строгом секрете и учёные соседней лаборатории А.С. Предводителева, проводившие расчёты, узнали о её существовании благодаря счастливой случайности. Результаты расчётов параметров воздуха за ударной волной немедленно передавались конструкторам из ОКБ С.П. Королёва, которые определяли необходимое количество теплозащитного материала. С учётом термодинамики воздуха в 1953 году в Энергетическом институте АН СССР были проведены численные расчёты параметров потока воздуха за прямым скачком уплотнения при температурах 200-10000 К и начальных давлениях от 1 до 10-5  атм. Пользуясь таблицами, можно по заданным значениям начального давления и скорости УВ определить параметры воздуха за прямым скачком  уплотнения в передней критической точке. При спуске по баллистической траектории с изменением высоты от 80 до 15  км скорость медленно уменьшается от 6,7 до 6,1 км/с . Температура за скачком растёт с увеличением атмосферного давления от 5400 до 8000 К.  Расчёт для идеального газа давал значения температуры  15 000 К   независимо от высоты.

Впоследствии таблицы были пересчитаны в ВЦ АН СССР и изданы в 1962 году.

Литература

1. А.С. Предводителев, Е.В. Ступоченко, А.С. Плешанов и др. Таблицы термодинамических и газодинамических величин потока  воздуха за прямым скачком уплотнения для скоростей набегающего потока до 4500 м/с. –М.: АН СССР, 1962. 132 с.

Материал помещен в музей 18.04.2011