Здравствуйте авиаторы и не только! Сегодня мы разберем очень интересную тему, которая достаточно сложна для понимания, так как с такими явлениями мы не то что не сталкиваемся в жизни, даже не всем пилотам за свою карьеру удавалось хоть раз преодолеть звуковой барьер. Как вы уже поняли, речь пойдет про скорость звука и основные явления с ней связанные. И так полетели!
Сразу хотим предупредить, что данная тема является очень сложной, физика явлений достаточно запутана и все это описывается системами сложных дифференциальных уравнений. Но мы все же постараемся объяснить о чем идет речь на простом уровне, с помощью некоторых моделей, поэтому возможны определенные допущения и неточности. Если вы обладаете ученой степенью в области аэродинамики, можете закрыть эту вкладку). И так, начнем с основы. Чтобы обогнать звук, надо понимать, что это значит. Звук относится к упругим механическим волнам распространяющимся в некоторой среде с определенной скоростью. Скорость звука зависит от плотности, температуры, давления и химических свойств среды. Например в твердых телах звук распространяется быстрее чем в воздухе. Поэтому раньше на диком западе индейцы прикладывали ухо к земле, чтобы услышать приближение врагов на лошадях и заблаговременно подготовиться к бою. Этим же пользуются некоторые животные, например змеи и страусы. Когда любое тело движется в атмосфере земли, оно создает возмущения в виде механических волн, которые распространяются во все стороны со скоростью звука, определенной для данной высоты, температуры и т.д. Пока тело движется медленнее чем распространяются возмущения от него, волны впереди объекта успевают рассеяться на некотором расстоянии от него и ничего интересного не происходит. Чем быстрее движется тело, тем больше оно сжимает перед собой эти волны. Если самолет достигает скорости звука, то эти волны уже не успевают рассеяться и движутся вместе с объектом. Из-за этого формируется фронт очень высокого давления и ударная волна в виде конуса распространяется повсюду за телом. Это называют скачком уплотнения. С дальнейшим повышением скорости угол при вершине этого конуса становится меньше, то есть конус становится как бы острее.
Тут надо развеять одно распространенное заблуждение. Оно касается всем известного хлопка при движении на сверхзвуковой скорости. Многие люди думают, что он возникает только в момент достижения скорости звука. На самом деле, это не так! Хлопок слышат те, до кого дошла эта ударная волна на протяжении всего полета на сверхзвуке. Именно это является одной из проблем сверхзвуковой пассажирской авиации. Ведь такие самолеты как Concorde и Ту-144 на протяжении всего маршрута тянут за собой ударную волну, которая наносит урон населению, разбивая стекла и пугая животных. И если Конкорд летел на сверхзвуке только над Атлантическим океаном, то наша Тушка делала это над территорией СССР, при полете из Москвы в Алма-Ату. Этот эффект, наряду с экономическими проблемами, стал одним из весомых аргументов при отказе от такого типа самолетов.
Почему же скорость звука назвали звуковым барьером? Это связано с тем, что уже при приближении к скорости звука возникает ряд явлений, ухудшающий аэродинамические характеристики самолета. Поэтому долгое время это было непреодолимым препятствием для летательных аппаратов. Разберем основные явления связанные со скоростью звука. Для начала нужно узнать какая числовая характеристика определяет эти явления. Это число Маха. Безразмерная величина, названная в честь немецкого философа, физика и механика Эрнста Маха, известного кроме развития философии неопозитивизма также трудами в области аэродинамики сверхзвуковых течений. Число М определяет отношение истинной воздушной скорости тела, к скорости звука при данных условиях. То есть 1 по числу М или просто 1 Мах это значит что тело летит со скоростью звука. Число Маха можно увеличить либо, увеличивая свою скорость, либо уменьшая скорость звука, поднимаясь выше, в стратосферу, где плотность воздуха значительно меньше. Число Маха определяет режим полета и границы возникновения тех или иных явлений. Все современные гражданские самолеты путешествуют с числом Маха 0,7-0,87. Истребители 5-ого поколения должны иметь возможность продолжительного полета на скоростях не менее М 1,2. Конкорды и Ту-144 имеют крейсерскую скорость 2,2 Маха, когда еще говорят в два раза быстрее звука. Гиперзвуковое оружие движется со скоростью около 7 Махов, а космические аппараты входят в плотные слои атмосферы на 25 и более по числу Маха.
Теперь, когда мы поняли, что такое скачки уплотнения и число Маха можно рассказать про те явления, которые сопровождают сверхзвуковой полет и долгое время мешали авиаторам покорять новые высоты и скорости.
- Волновой кризис. Это очень неприятное явление, которое возникает уже на трансзвуке, то есть при числе М 0,9-0,95. Заключается в резком возрастании аэродинамического сопротивления, уменьшении подъемной силы. При возникновении скачков уплотнения радикально меняется обтекание крыла потоком воздуха. Кроме того сильно сжатый воздух перед самолетом становится почти стеной, которую долгое время не могли преодолеть даже в пикировании.
Исторический факт: Первый кому удалось преодолеть звуковой барьер был американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 Это произошло 14 октября 1947 года.
Экспериментальный самолет Bell X-1 использовал технологию воздушного старта: он крепился под бомбардировщик Boeing B-29 , который поднимал его на заданную высоту и сбрасывал
Также при определенной скорости, близкой к 1 Маху, возникает тряска самолета, опасные колебания, типа флаттер, бафтинг и дивергенция. Все это приводит к ухудшению управляемости и устойчивости летательных аппаратов.
- Смещение аэродинамического фокуса. Это приводит к смещению точки приложения подъемной силы назад, что создает пикирующий момент и нарушает балансировку самолета. Особенность в том, что это может случится и на скоростях намного меньше скорости звука. Ведь при обтекании профиля крыла, как мы знаем поток над крылом ускоряется, и в какой-то момент он может достичь 1 Маха, что приведет к потере балансировки, как это случилось 27 марта 1943 года на самолете БИ-1 с жидкостным ракетным двигателем.
Григорий Бахчиванджи выполнял уже седьмой полет на Урале, недалеко от Свердловска с аэродрома Кольцово, когда на скорости около 800 км/ч самолет вошел в пике и разбился. Летчик испытатель капитан Бахчиванджи погиб. По результатам исследований ЦАГИ это произошло из-за того что профиль крыла был очень выпуклым (предназначен для скоростей около 450 км/ч), и поток воздуха над крылом по закону неразрывности разогнался до скорости звука, что привело к смещению фокуса назад и возникновению пикирующего момента.
Так как система управления была механическая тросовая, то летчику просто не хватило физической силы вытянуть самолет, ведь шарнирный момент в разы превышал возможности даже самого подготовленного организма. До этого события с таким явлением никто не сталкивался, ведь поршневые самолеты летали на скоростях максимум 500-550 км/ч и профили были соответствующими. Также еще не было гидроусиленного управления. Позже для решения этой проблемы, в том числе, придумали стреловидные крылья. О них мы расскажем в одной из следующих статей.
На самолетах Конкод и Ту-144 для сохранения балансировки сдвигали непосредственно центр тяжести. При переходе на сверхзвук бортинженер включал насосы и начиналась перекачка топлива в специальный балансировочный бак в хвостовой части самолета, тем самым центр тяжести двигался вместе с аэродинамическим фокусом и все было в порядке.
Кстати, интересный факт. Все знают про два упомянутых выше пассажирских самолета, которые летали на сверхзвуке, но мало кто в курсе, что до Ту-144 и Конкорда был еще один пассажирский лайнер Douglas DC-8, в экспериментальном полете достигший 21 августа 1961 года скорости 1 Мах, при крутом снижении с высоты 12500 м.
- Аэродинамический нагрев. Полеты на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях сопровождаются нагревом конструкции до высоких температур. Это происходит из-за того что во-первых сильное трение объекта о воздух разогревает поверхность. Во-вторых, из-за сильного сжатия растет температура воздуха .
Все это создает сложности конструкторам при выборе материала. Ведь не все металлы остаются работоспособными уже при температуре порядка 300 градусов Цельсия. А при входе в атмосферу космический аппарат нагревается почти до 1600 °C . Для работы в таких условиях нужны иные материалы и специальные средства теплозащиты.
Это были основные явления и проблемы сопровождающие полет на скоростях выше скорости звука. О способах их решения и конструкторских идеях, позволивших самолетам летать так быстро, как мы знаем сегодня, вам расскажут следующие выпуски рубрики “Основы Авиации”. До скорых встреч на канале Пилот-Инженер!
