Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
Техника создала новые мощные двигатели — газовые турбины. Они стали новым средством борьбы за скорость самолета.
Расскажем еще об одном оружии в этой борьбе и о враге, которого оно побеждает.
Враг этот — сопротивление воздуха. Он появляется одновременно с движением.
Есть движение — есть и сопротивление, и чем быстрее двигается тело, тем больше сила сопротивления.
На учебном самолете, летящем со скоростью в 100–150 километров в час, можно без опаски выглянуть из открытой кабины. Вы ощутите стремительный воздушный поток, но сила его еще не так велика, чтобы помешать вам выбраться из кабины и прыгнуть с парашютом.
Когда же скорость значительно возрастает, сила воздушной струи уже не столь безобидна. Прыжок с борта скоростного самолета не такое простое дело, как может показаться на первый взгляд. Парашютист-испытатель В. Г. Романюк говорит:
«Опыты показали, что выбраться из кабины современного истребителя при полете на больших скоростях летчику бывает очень трудно, а подчас невозможно. Надо, чтобы какая-то посторонняя сила помогла ему это сделать».
Мы еще будем говорить об особенностях скоростных полетов и вернемся к прыжку во время такого полета. Но прежде нужно ближе познакомиться с врагом, с которым ведут борьбу самолетостроители.
Аэродинамика изучает силы, возникающие при движении тел в воздухе.
Можем ли мы увидеть, как воздух обтекает самолет? Ведь воздух — невидимка. Мы чувствуем его силу при полете, но не видим, что делается при этом.
Оказывается, можно увидеть невидимое. И для этого нам не придется совершать воздушные путешествия. Мы, оставаясь на земле и никуда не двигаясь, совершим такое путешествие в аэродинамической лаборатории.
В аэродинамической трубе вентиляторы, вращаемые электромоторами, гонят воздух. Модель самолета, крыла, моторной гондолы, любой части самолета подвешена в ней на проволочках или стержнях-державках.
Поворот рычажка реостата — и в трубе можно получить нужную нам скорость. Растут обороты мотора. Лопасти вентилятора сливаются в один блестящий круг. Модель начинает «бег на месте».
Все сильнее давит воздушный поток, все сильнее рвется модель, стремится вырваться из креплений, как зверь, попавший в сеть. Эти крепления устроены так, что позволяют ей немного подвинуться, как бы уступая стремительной силе воздушного потока. И усилия, которые испытывает модель, передаются через проволочки или державки рычагам особых весов.
Весы нагружают, и модель возвращается в прежнее положение. Зная, какой груз понадобился для этого, определяют силы, действующие на модель. Расчет помогает узнать полную картину их действия.
А как же все-таки не только измерить силу воздушного потока, но и увидеть, что происходит в нем?
Пучок ниточек может помочь сделать видимым невидимку — воздух.
Флаг, колыхаясь по ветру, указывает, откуда дует ветер, силен ли он. Ниточки, вытягиваясь вдоль потока указывают, как он течет. Плавно — и тогда они все глядят в одну сторону. Бурно образуя вихри, — и ниточки колышутся, как флаги на сильном ветру.
Так можно наблюдать за характером течения и около обтекаемого тела, например крыла самолета. Заметим, кстати, что иногда это делают не на модели, а на настоящем самолете. На крыло наклеивают ниточки и предоставляют фотоаппарату следить за их поведением.
Есть и другой простой способ наблюдать за воздухом. Дым, выходящий из печной трубы, подсказывает, что нужно сделать. Если в аэродинамическую трубу пустить дым, то струйки его покажут картину обтекания. Подобно тому, как на фотопластинке при проявлении на наших глазах возникает изображение, так и в трубе станут видимыми воздушные струйки.
Мы увидим, как бегут рядом эти струйки. Ничто не нарушает их плавного бега. Но вот дорогу им преграждает пластинка. Подходя к ней, струйки начинают «волноваться». Пластинка тормозит их, мешает им. Струйки идут в обход, обтекают ее. Но от плавного течения не остается и следа. Струйки сбиваются с дороги, крутятся, за пластинкой возникают вихри. Только далеко за пластинкой струйки успокаиваются. И снова мирно текут они рядом.
Впереди пластинки, там, где струйки тормозятся, давление повышается. Сзади, где появились вихри, давление падает. В результате возникает разница давлений, сила сопротивления. При этом понижение давления за пластинкой бывает гораздо больше, чем повышение давления перед ней. Разрежение за пластинкой как бы «засасывает» ее, держит, не пускает вперед, и чем больше вихрей, тем сильнее.
Изогнем пластинку полукругом и снова поместим ее в поток, выпуклой стороной к набегающим струйкам. Они покажут, что обтекание стало более плавным, чем раньше: меньше вихрей, спокойнее текут струйки. И если измерить силу сопротивления, она окажется меньше в несколько раз.
Выходит, сила сопротивления зависит от формы тела. Если оно похоже на вытянутую каплю, то более плавно обтекается воздухом. Вот почему самолету, дирижаблю, гоночному автомобилю придают плавную, обтекаемую форму.
Форма капли была бы идеальной для самолета. Но такой идеальный самолет — уже не самолет, потому что у капли нет крыльев. А без крыльев нет самолета. Это не трудно понять, если посмотреть на модель крыла в нашей «дымовой» аэродинамической трубе.
Плавно бегут струйки, как течет по равнине спокойная полноводная река. Встретив крыло, они обтекают его сверху и снизу. При этом струйкам, обтекающим крыло сверху, предстоит пройти более длинный путь, так как верхняя поверхность крыла изогнута больше, чем нижняя. Им приходится двигаться быстрее, чтобы не отстать от нижних.
Но чем больше скорость, тем меньше давление, — так гласит закон физики. И поэтому давление сверху крыла получается меньше, чем снизу. Разность давлений, сила, направленная вверх, — подъемная сила и держит самолет в воздухе. Движет его сила тяги воздушного винта. Но крыло, конечно, создает не только нужную подъемную силу. Оно, как и всякое другое тело, оказывает и сопротивление. Добиться того, чтобы крыло давало как можно большую подъемную силу и как можно меньшее сопротивление, — вот к чему стремились борцы за скорость в авиации.
Изменение формы самолета — от первого (конструкции А. Ф. Можайского) до современного реактивного.
Отходят в прошлое самолеты с двумя и даже тремя крыльями — бипланы, трипланы, со стойками, растяжками, соединяющими одно крыло с другим. Каждая лишняя деталь — лишнее сопротивление. Только на учебных машинах, где скорость невелика, осталась «коробка» из крыльев. Самолет с одним крылом — моноплан — стал господствовать сейчас в авиации.
Всё, что только можно, стали убирать внутрь, что нельзя — в обтекатели. Убирающиеся шасси, хорошо обтекаемый фюзеляж, плавные «зализанные» формы сделали современный самолет похожим на крылатую вытянутую каплю. Тщательнее стали отделывать наружные поверхности. И сопротивление уменьшилось примерно в 20 раз!
Это вместе с повышением мощности авиационных двигателей, с новыми, прочными и легкими материалами дало возможность летать со скоростями около 700 километров в час. В 1939 году мировой рекорд скорости составил 755 километров в час.
Но вот что интересно отметить. Если взглянуть, как росли скорости, то видно — чем дальше, тем труднее становилась борьба. Сражение шло за каждый лишний километр.
Сделали крыло на потайной клепке так, чтобы заклепки не выступали наружу, — прибавка скорости на 20 километров в час.
Улучшение «внутренней» аэродинамики самолета — герметизация его, устранение лишних отверстий, щелей, куда мог бы проникать воздух, прибавило еще 30 километров скорости.
Отполировали или покрыли лаком крылья самолета, и скорость выросла на 40 километров в час. Покрасили обшивку более тщательно — еще 5 километров. И так далее.
