Борьба за скорость - Ляпунов Борис Валерианович (читать книги полные TXT) 📗
Пришлось задуматься даже над тем, чтобы упрятать внутрь выступающие наружу антенны радио. Для аэродинамики — вопрос немаловажный: ведь сейчас на современном гражданском самолете с радиостанцией и радиолокаторами около десятка антенн!
Как видно, скорость набирали буквально «по крохам». И в годы второй мировой войны самолеты полетели со скоростью примерно 800 километров в час.
Конструкторы снова и снова увеличивали мощность двигателей. Но это не давало желаемого результата. Вместе с увеличением мощности возрастал вес поршневых двигателей, и выигрыш в скорости сводился на нет из-за утяжеления самолета. Образовывался как бы замкнутый круг, из которого, казалось, не было выхода.
Но наука и техника не признают безвыходных положений.
Помощь пришла от моторостроителей. Они дали самолету новый газотурбинный двигатель — более легкий, более мощный, чем поршневой.
И резко увеличилась скорость — сразу на две-три сотни километров.
Это был новый качественный скачок в авиации. Открылись сложные, неизвестные явления, которые не давали раньше о себе знать ни конструктору, ни летчику.
Оказалось, что большие скорости — не только новый двигатель, новые материалы, это и новые формы самолета, новая аэродинамика.
Сначала новый двигатель просто пересел на старый самолет, который повел себя на больших скоростях странно.
Управление усложнялось, а подчас становилось невозможным. Самолет вел себя в воздухе не так, как ему полагалось.
Почему это произошло? И прежде всего почему лишь новые двигатели, невиданной еще мощности, дали «скачок скоростей»?
Тут нам придется вернуться в аэродинамическую лабораторию. Посмотрим, что будет делаться при обтекании на больших скоростях.
Воздушный поток большой скорости получить не так-то просто. Нужен очень мощный нагнетатель, прогоняющий воздух через трубу. Чтобы скорость потока возросла в три с лишним раза — с 360 до 1 200 километров в час — надо мощность нагнетателя увеличить в 40 раз, доведя ее до мощности электростанции небольшого города.
Нужны и новые методы наблюдения и сложные измерительные приборы.
Воспользуемся одним из таких методов — теневым.
Через поток проходит пучок света и попадает на экран. На нем — светлое пятно. Свет идет через прозрачную однородную среду, и ничто ему не мешает.
Поставим в поток модель крыла. На светлом поле экрана — тень крыла, его профиль. Растет скорость — 600, 700… 1 000 километров в час. Еще больше скорость — она близка к скорости звука— 1200 километров в час! На экране, по бокам модели, появляются расходящиеся под углом темные узкие полоски.
Можно наблюдать подобную картину и в другом виде.
Прежде чем направить пучок световых лучей в поток, его пропускают через частично посеребренную стеклянную пластинку. Пучок раздваивается — часть лучей отражается от пластинки, часть проходит сквозь нее. Затем оба пучка снова встречаются и попадают на экран. Но идут они по разным путям — один через поток, а другой минуя его.
Свет — это электромагнитные колебания, волны. Два луча света, как две волны, могут усиливать или гасить друг друга. Поэтому экран, на котором встречаются оба наших световых луча, становится полосатым: на нем появляются светлые и темные полосы.
Если в потоке стоит модель, то плотность воздуха в нем перестает быть однородной. Модель «возмущает» поток, нарушает его однородность, отклоняются световые лучи, и полосы на экране искривляются, показывая места с измененной плотностью.
В потоке модель турбинной лопатки. На полосатом поле экрана — ее профиль. Хорошо видно, как идет обтекание, где полоски идут плавно, а где они срываются. Поворачивая модель, можно видеть, как меняется характер потока, и подобрать наилучшие условия для плавного обтекания.
А теперь вновь поставим в поток модель крыла. И когда скорость приблизится к скорости звука, как будто кто-то перегнет полоски, покрывающие экран, — как раз под такими же углами, как и раньше, по бокам модели.
Что же происходит?
Внезапно, резко, скачком возрастают давление и плотность в потоке. Аэродинамики так и говорят: появились скачки уплотнения.
Темные полосы, которые видны на теневом экране, — «тень» скачка уплотнения. На полосатом же экране полоски искривятся там, где появился скачок: из-за него плотность в потоке перестала быть везде одинаковой.
На скачке воздух увеличивает не только плотность. Одновременно-повышается и температура, а скорость падает. Скачок — как «газовая стена». Он не может задержать частички воздуха, но тормозит их, заставляет уплотняться и нагреваться. Воздух ударяется о скачок, как о преграду. Его поэтому и называют иногда ударной волной.
Скачок вызывает дополнительное сопротивление. И немалое. Если скорость возросла, скажем, в 2 раза — с 600 до 1 200 километров в час, то сопротивление воздуха увеличится в 32 раза!
Вот почему для полета на большой скорости нужен новый, более мощный двигатель. Когда он был создан, скорость резко увеличилась.
Однако скачок уплотнения появляется лишь тогда, когда скорость потока достигает звуковой. А когда начались все неприятности, связанные с дополнительным сопротивлением, самолетам до скорости звука было еще довольно далеко. В чем же было дело?
Самолет еще не достиг скорости звука. Но около отдельных его частей поток может двигаться со звуковой скоростью. Мы говорили о том, что струйки, обтекая тело, ускоряются или замедляются. При резком изменении направления потока и скорость его может увеличиться, дойдя в этом месте до скорости звука. Тогда появляется скачок, возрастает сопротивление.
Когда скачок «садится» на хвостовое оперение, нарушается устойчивость самолета, управление им. Когда скачки «садятся» на винт, ухудшается его работа. Скачок на крыле и оперении — и самолет неудержимо затягивает в пикирование. Силы летчика не хватает, чтобы справиться с самолетом.
Бывали случаи, когда скачок садился на крыло и его можно было видеть глазом.
«При испытании я ввел самолет в пикирование и стал наблюдать за скоростью полета, — рассказывал летчик-испытатель. — На скорости около тысячи километров в час я увидел волну сжатого воздуха, переливающуюся в лучах солнца. Она напоминала целлофановую полоску и располагалась по всему крылу, начиная с фюзеляжа. Когда скорость увеличивалась, волна двигалась назад, а при замедлении скорости — вперед, к передней кромке крыла. Когда самолет вышел из пике, она исчезла».
Скачки на крыле удавалось фотографировать в полете. Они отбрасывали тени на освещенное солнечным светом крыло. Их можно было также сфотографировать аппаратами, похожими на те, какие применяются в аэродинамических трубах. Так самолет, подобно аэродинамической трубе, служил для изучения скачков, появляющихся при больших скоростях.
Эти «пассажиры», которые неизбежно садятся на отдельные части самолета, дорого обходятся.
Раз так, нужно уменьшить, ослабить их вредное влияние.
Нельзя было долго терпеть, чтобы новый двигатель стоял на самолетах старых форм, на которых трудно и опасно летать с большими скоростями.
И появились новые — реактивные — самолеты. Появилась и новая отрасль науки — аэродинамика больших скоростей, основы которой заложил академик С. А. Чаплыгин еще в 1900 году.
В начале века он создал теорию, которую лишь теперь, с наступлением эпохи больших скоростей, можно полностью оценить. Когда в 1936 году в Риме собрался конгресс по большим скоростям в авиации, он признал лучшей работу Чаплыгина «О газовых струях», написанную 36 лет до этого.
На основе исследований Чаплыгина и других советских ученых — его учеников и последователей — аэродинамики с новой силой развернули борьбу за скорость.
Современный реактивный самолет.
Расчеты и опыты в аэродинамических трубах больших скоростей показали, что профиль крыла скоростного самолета должен быть иным, чем у самолета малых и средних скоростей.
