Сергею Петровичу, который, ввиду своего родства с великими учеными, всегда был на виду, было поручено заниматься в ЦАГИ актуальнейшими вопросами теплопередачи и аэродинамического нагрева при больших скоростях потока. Названное направление работ в значительной степени определяло выбор материалов для летательных аппаратов, требующих в связи с увеличением скорости все большей термо- и теплостойкости. Работы этого цикла курировал в ЦАГИ, как и в МАИ, блестящий расчетчик тепловых полей, будущий академик, Герой Социалистического Труда А. А. Дородницын.
Работа, которую вел в ЦАГИ С. П. Капица, была в высшей степени интересной и актуальной — продиктованной временем. Со все более широким внедрением реактивной авиации, увеличением скоростей полета резко возрастало и число отказов (а с ним — число аварий и катастроф) из-за высокого нагрева элементов фюзеляжа, крыла, оперения, их возможного коробления, а случалось, и срыва. Рост нагрева был обусловлен тремя факторами: как более высокой, по сравнению с поршневой, скоростью реактивной техники; входившими во все более широкое применение менее термопрочными и термостойкими алюминиевыми сплавами; так и более тонкими профилями крыла и оперения, которые предлагались аэродинамиками для полетов в околозвуковой и сверхзвуковой области.
Аэродинамический нагрев объясняется тем, что налетающие на движущееся тело молекулы окружающей среды тормозятся вблизи тела. Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью, торможение происходит прежде всего в так называемой ударной волне, возникающей перед движущимся телом. При торможении молекул воздуха в пограничном слое, непосредственно у поверхности тела, энергия их хаотического движения возрастает, что ведет к росту температуры газа в этом слое и аэродинамическому нагреву тела. Максимальная температура, до которой может нагреваться окружающая среда в окрестностях движущегося тела, пропорциональна квадрату скорости этого тела и обратно пропорциональна удельной теплоемкости окружающей среды. Например, при полете сверхзвукового самолета со скоростью один километр в секунду температура торможения составляет около 700 К. Особенно обостряются эти вопросы при торможении космических тел, входящих в атмосферу Земли, с первой космической скоростью (~7,6 км/с) температура торможения достигает 8300 К. Если в первом случае температура обшивки самолета может быть близка к температуре торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо начнет разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие температуры. С увеличением скорости движения тела температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает.
Степень аэродинамического нагрева также непосредственно и существенно зависит от формы тела, которую предлагается учитывать путем введения в расчеты аэродинамического коэффициента сопротивления Сх.
Для скоростей выше первой космической различают два вида аэродинамического нагрева: конвективный и радиационный. Конвективный нагрев — это перенос тепла из области пограничного слоя к поверхности движущегося объекта путем теплопроводности и диффузии. Радиационный нагрев — это выделение тепла за счет излучения молекул окружающей среды (газа). Соотношение между тепловыми потоками конвекционными и радиационными зависит от скорости движения объекта. До значений первой космической скорости преобладает конвективный нагрев, при второй космической скорости (~11,2 км/с) конвективные и радиационные потоки примерно равны, при более высоких скоростях преобладающим тепловым потоком становится радиационный.
Сергей Петрович в том числе исследовал аэродинамический нагрев у гребней крыла посредством температурных датчиков: в аэродинамической трубе изменялась скорость потока, и при этом фиксировалось изменение температуры нагрева плоскости и гребня. Было установлено, что в зоне турбулентного потока теплообмен, по сравнению с потоком ламинарным, интенсифицируется.
Первая научная работа Сергея Петровича Капицы относилась к области авиационной теплотехники, которая в то время еще не составляла цельного учения, имела множество белых пятен и для своего времени была исключительно актуальна. В этой области широко использовались новейшие результаты самых современных физических исследований, где впервые была предпринята попытка построить распределение температурных полей на плоскостях и в местах их сопряжения с иными формами, движущимися в газовом потоке в зависимости от радиуса кромки плоскости и размеров сопряжений, что делало работу еще более ценной.
В то же время стало очевидно, что решение этой проблемы весьма не просто, требует длительных дорогостоящих исследований натурных моделей из различных сталей и сплавов, различной формы на различных скоростях полета, что ее решение во многом определяет возможности новых боевых машин. И тогда, и впоследствии нередки были случаи, когда новые реактивные машины ввиду скоростного нагрева о воздух деформировались, что вело к списанию машины, а иногда даже приводило к катастрофам. Большинство работ по названной тематике было отнесено к категории «совершенно секретно».
В 1949 году появляется первый научный труд Сергея Капицы, написанный вместе с отцом и опубликованный в девятнадцатом томе журнала «Экспериментальная и теоретическая физика» — «Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости». Изучение слоев вязкой жидкости, стекающих по твердой поверхности под действием силы тяжести и скоростного напора воздуха, — классическая задача гидродинамики, имеющая не только теоретическую значимость, но и обладающая большим спектром технологических приложений. Трудности исследования связаны с тем, что поверхность слоя покрыта сложной системой волн, существенно зависящей от параметров течения. Основа всестороннего исследования этой задачи заложена в работах П. Л. Капицы, одним из ассистентов которого был его сын Сергей.
Исследования, близкие к названной теме, продолжаются и сегодня — в начале XXI века. Защищаются кандидатские и докторские работы, выходят обширные научные труды.
…В 1950 году в ЦАГИ сменилось руководство: на место С. Н. Шишкина, откомандированного в Министерство авиационной промышленности, был назначен доктор технических наук, лауреат Сталинской премии, впоследствии академик и Герой Социалистического Труда А. И. Маковецкий.
Обострившиеся отношения Капицы-старшего с высшим руководством страны отнюдь не были секретом в высших советских научных кругах, и можно предположить, что кто-то из замов А. И. Маковецкого (вероятнее всего, его зам по безопасности) решил продемонстрировать даже не бдительность, а скорее служебное рвение, и в 1950 году Сергея Петровича сначала лишили пропуска, заявив, что он уволен, но вскоре пропуск вернули (вполне вероятно, из-за заступничества одного из основателей ЦАГИ А. Н. Туполева), и он продолжал успешно работать и даже получать премии. В 1951 году он все же был уволен из ЦАГИ окончательно и ему был предложен выбор перехода в добывающую отрасль.
Из двух предложенных вариантов (вторым вариантом было Министерство нефтяной промышленности) Сергей Петрович выбрал Институт физики Земли АН СССР[35], директором которого был недавно сменивший О. Ю. Шмидта один из основоположников сейсморазведки, член-корреспондент (впоследствии академик) Г. А. Гамбурцев.
Заметим, что за работы, проделанные в конце 40-х годов XX века в ЦАГИ, в 2010 году С. П. Капица был избран в Международную академию астронавтики.
Любовь и семья
Мужчины по фамилии Капица всегда были талантливы во всем, включая умение делать свою семейную жизнь счастливой, независимо от времен и правителей, наград и репрессий, революций и войн.
Выбор в жизни человека бывает всегда, и предоставляется он не один раз. Вот только предполагает он, как правило, сразу несколько разных вариантов, и человек зачастую теряется, не умея понять, что для него сейчас самое главное.
Капицы отличались как раз тем, что умели делать талантливый выбор, причем делать его сразу, не колеблясь. Это касалось и профессии, и учебы, и работы, и научных идей, и умения быть учениками и учителями… И любви. Женщины, ставшие их женами, всегда были исключительными: смелыми и умными, прекрасно образованными и неотразимо красивыми. И это еще вопрос, кто кого выбирал, когда дело касалось не физики, а любви.