Яркий самолёт Ту-22 и весь советский сверхзвук — оглавление
Не раз, даже в серьёзных детских энциклопедиях, доводилось читать – мол, метеор, спускаемый аппарат или боеголовка при падении разогревается из-за трения об атмосферный воздух. А ведь в этой партии ходов больше одного. Азы аэродинамики, как и любой науки, не особо сложны, но многим непонятна даже суть закона Бернулли, как работает верхняя поверхность крыла и почему крыло иногда оставляет туманные жгуты.
Что за загадочные термины «температура торможения» и «сжимаемость воздуха»? Почему так и не появилось массовых сверхзвуковых пассажирских самолётов? Итак — основы аэродинамики больших скоростей на пальцах!
Чтобы понять, как связаны давление, скорость и температура, нужно вспомнить два понятия из физики — ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ и БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ (точнее, тепловое движение, подробности чуть ниже). С законом сохранения всё ясно: например, сжимаем газ — вместе с давлением растёт и температура. К газу подвели кинетическую энергию (сжали его) — выросла его потенциальная энергия (давление). Внутренняя энергия газа не появляется и не исчезает, она просто «вылезает» в виде разных параметров. Не бывает такого, что изменился один параметр — а остальные стоят как вкопанные.
А понятие теплового движения даёт вообще возможность понять суть давления и связи давления со скоростью. Молекулы вещества, как известно, постоянно движутся. В твёрдых телах они просто колеблются на месте, сохраняя положение в кристаллической рёшетке, в жидкостях и газах движутся куда попало, сталкиваясь с соседками. Скорость, размах этого движения — и есть температура.
Нет движения молекул — нет температуры, это абсолютный нуль, −273,15 °C. Температуры ниже не существует, она не имеет физического смысла. По мере нагрева молекулы начинают вибрировать, в какой-то момент вибрация становится насколько сильной, что твёрдое тело разваливается и превращается в жидкость, а при дальнейшем нагреве молекулы и вовсе разлетаются в стороны — жидкость испаряется, превращается в газ.
А давление — сила ударов молекул, совершающих тепловое движение. Быстрее молекулы летают — сильнее бьют. А сильнее их друг к другу прижимаешь — они сталкиваются чаще, сильнее бьются, то есть температура растёт. Поэтому давление и температура связаны прямо, повышаешь одно — растёт другое. Это хорошо видно по воздушным компрессорам: вроде внутри, в отличие от двигателей, ничего не горит, однако цилиндры оребрены для охлаждения – воздух внутри нагревается при сжатии, от него нагреваются и цилиндры.
В статье о том, почему чем выше скорость – тем меньше критический угол атаки, объяснено, что на большой скорости молекулы просто не успевают заворачивать за горб верхней поверхности крыла:
На нижней же поверхности всё ровно наоборот – воздух не успевает её просто обтекать, он начинает сжиматься – проявляется СЖИМАЕМОСТЬ ВОЗДУХА. Летящий на трансзвуковой (близкой к скорости звука) скорости самолёт сгребает воздух словно грейдер, сжимает его. Один слой воздуха не успевает обтечь самолёт – а в него уже врезается другой. А где рост давления – там рост и температуры. Это так называемый адиабатный процесс, зависимость изменения температуры от изменения давления и плотности видна по формуле, которую можно пропустить, если вам для общего развития:
T / T₁ = (pρ₁) / (p₁ρ),
где T₁, p₁ и ρ₁ – температура, давление и плотность до встречи с самолётом. Если что, p и ρ – разные буквы, латинская «Пётр» и греческая «ро». Сжимаемость воздуха – одна из причин, почему повышение скорости до звуковой и выше требует непропорционального роста мощности двигателей, то есть расхода топлива: помимо создания подъёмной силы, «вытаскивания самолёта за волосы» в небо за счёт разрежения на верхней стороне крыла приходится тратить энергию ещё и на сжатие воздуха перед самолётом и под ним. На нагрев атмосферы.
На верхней же поверхности крыла происходит обратный процесс – расширение воздуха, а с ним и падение температуры. То, что висело в воздухе в виде водяного пара – конденсируется и становится туманом. Этот след называется инверсионным или конденсационным следом, именно он виден на первом снимке в статье, и срывается с закрылков – они работают на куда большем угле атаки, чем крыло, и разрежение за ними глубже – поэтому там температура падает настолько, что появляется видимый след.
Это проявляется в мороз либо в сырую погоду – когда относительная влажность около 100 %, причём наблюдается не только в полёте за крылом, но и на земле перед двигателями – перед воздухозаборниками же разрежение. Вот кадр с опробования двигателей Ту-154Б-2, стрелками показан трепыхавшийся перед воздухозаборником туманный жгут:
Со временем будет выложено и видео из кабины и полёта, подписчики здесь либо в Телеграме обязательно его увидят, а сам Ту-154 подробно разбирается в отдельном большом цикле:
Конечно, такой эффект наблюдается и на винтах – ведь это вращающиеся крылья, причём на винтах как самолётов, так и вертолётов – в мороз или сырость они рисуют спирали, что порой порождает кривотолки об «опылении населения». А это просто адиабатный процесс на верхней стороне винта. Неразрывная связь давления, температуры и скорости.
Ещё туманный след оставляют двигатели, но природа их совершенно иная. Пока что все аппараты от Сессны и тяжелее летают на углеводородном топливе, а при его сгорании получаются оксиды углерода (СО, СО₂) и водорода (Н₂О). Да что Сессны, даже автомобили дают на выходе ровно то же самое – многие замечали брызги воды за выхлопной трубой молотящего на холостых автомобиля, а то и ловили замерзание глушителя, оставив машину работающей на ночь в сильный мороз.
Конечно, иногда это попадание в цилиндры тосола, у меня самого такое было, но на исправном двигателе это лишь продукты горения топлива. Это хорошо видно – следы тянутся не за крылом, а за двигателями, ибо на высотном морозе в –50 °С моментально остывает даже горячий выхлоп:
Но вернёмся к воздуху. Осталось разобрать понятие ТЕМПЕРАТУРЫ ТОРМОЖЕНИЯ. Это одно из проявлений вездесущего закона сохранения энергии. Ведь что такое внутренняя энергия газа? Это суммарная кинетическая энергия всех молекул. Греем газ – внутренняя энергия растёт. Жмём – тоже растёт. Разгоняем, превращая стоячий газ в поток – тоже растёт, теперь молекулы не просто сталкиваются друг с другом в тепловом движении, а организованно летят, скалярная энергия получает вектор.
Формы энергии легко перетекают одна в другую: выпустили газ из баллона – он расширяется и охлаждается, но приобретает скорость. Вот здесь это видно на примере тележки с азотными баллонами: трубка баллона, который открывали, побелела от инея, остальные блестят:
По этой же причине обогрева требуют карбюратор, впускной коллектор либо дроссель бензинового двигателя – воздух всасывается цилиндрами, протягивается через игольное ушко дроссельной заслонки, при этом, естественно, расширяясь и охлаждаясь. Если же мотор не инжекторный, а карбюраторный – там воздух охлаждается ещё и в больших диффузорах.
А бензину для горения нужно испариться, кроме того, при низких температурах впускная система может начать просто леденеть – проблема обледенения карбюратора в авиации встала давно, поэтому впускная система бензиновых двигателей всегда обогревается. Вот для примера наш автомобильный двигатель ЗМЗ-406, хорошо видны дюриты подвода тосола на обогрев дросселя:
Знакомы с этим явлением и машинисты – после ступени торможения краном машиниста, то есть выпуска воздуха из уравнительного резервуара, нужно через 20 секунд сделать ещё небольшой выпуск. Ведь при выпуске воздуха из резервуара резервуар немного охладился из-за падения давления, а потом нагрелся от окружающей среды – давление подросло. Нужно выпустить это лишнее давление повторным выпуском. Но о всех этих делах подробнее – в статье о кране машиниста:
Итак, связь между давлением и температурой ясна. А что до связи между давлением и скоростью, температурой и скоростью? Треугольник температура – давление – скорость неразрывен. Из него выводится и уравнение Бернулли. Чтобы это понять, нужно вспомнить суть давления. Хаотично движущиеся молекулы бьют не только друг друга, но и соседа – оказывают давление, то есть давление – сила ударов молекул при тепловом движении.
Поэтому при падении температуры падает и давление – молекул меньше не становится, но двигаются они медленнее и потому лупят слабее. А если разогнать поток вдоль поверхности? Тогда молекулы будут бить не прямо, а по касательной – удары ослабеют:
Теперь понятно, почему текущий вдоль верхней поверхности крыла воздух оказывает куда меньшее давление, чем текущий вдоль нижней. В нижнюю поток бьёт под небольшим, но всё же углом, оказывает несколько повышенное давление. А верхнюю огибает параллельно, даже стремится от неё оторваться (и иногда отрывается – развивается срыв потока), молекулы бьют лишь по касательной. Воздуху некогда бить по крылу, он летит!
А раз меньше сила ударов от теплового движения – значит, и меньше передача энергии теплового движения, то есть ниже температура, с которой газ действует на твёрдое тело. Выходит, при разгоне падают и давление, и температура потока! Становится понятным уравнение Бернулли ρV² / 2 + р = const. Наращиваем скорость (V) – будет падать статическое давление р, потому что сумма должна быть постоянной.
А если поток затормозить – в согласии с законом сохранения энергии скорость «вылезет» в виде температуры и давления. Температура потока, заторможенного до V = 0, и называется температурой торможения Т₀, а давление и плотность торможения – вполне прозрачно p₀ и ρ₀.
Они связаны формулой p₀ / ρ₀ = gRТ₀, где g и R – обыкновенные ускорение свободного падения и газовая постоянная. Температура торможения для воздуха считается по формуле Т₀ = Т + V² / 2000, где Т – температура незаторможенного потока в кельвинах, V – скорость в м/с. На скорости 900 км/ч в морозе –50 °С она будет 223 + 250² / 2000 = 254, то есть –19 °С, на 31 градус выше.
Конечно, в реальной жизни до нуля поток практически никогда не затормаживается, поэтому и температура торможения не та, что могла бы быть. Что пишет в первой книге В. В. Ершов?
"Пересекли 11100, идет, по 5 м/сек, но идет. Температура вроде держится. По прибору показывает —25, но на самом деле за бортом на 23 градуса ниже, минус сорок восемь. Просто на нашей скорости датчик температуры от трения о воздух нагревается, и на этой высоте поправка – 23 градуса."
Это не датчик нагревается, это нагревается сам воздух при сжатии в датчике, а уже от воздуха – датчик. Взглянем на конструкцию приёмника температуры П-5:
Попадая в сужающуюся переднюю часть канала датчика (конфузор), обозначенную цифрой 2, поток сжимается и оттого нагревается. Температуру сжатого, заторможенного и потому нагревшегося потока и измеряет теплочувствительный элемент 1. Похожие процессы происходят и с высотно-скоростными приборами, которые работают на давлениях, поэтому для получения максимально точных значений высоты и скорости надо брать температурную поправку – и сигнал одного из П-5 заведён в вычислитель системы воздушных сигналов (СВС).
И в нём же на основании температуры рассчитывается число Маха – скорость звука в воздухе зависит лишь от температуры, a = 20 √ T. Надо лишь помнить, что температура в этой формуле термодинамическая, в градусах Кельвина. Подставив стандартные +20 °С или 293 К, получим 20 √ 293 = 342 м/с или 1231 км/ч, вполне привычная цифра. А вычислитель скорости, числа Маха и высоты ВСМВ-1 показан в третьей статье о Ту-154:
Сейчас блоки размером и массой поменьше, но работают по тем же формулам.
Самолётом поток полностью тоже не затормаживается, но сильно заторможенный пограничный слой возле него есть практически всегда. Как видим, на дозвуковых скоростях температура торможения не очень большая – десятки градусов. На сверхзвуковых она достигает уже сотен градусов – истребители вроде МиГ-31, летающие со скоростями под три маха, приходится красить специальной краской, выдерживающей температуру в 350 °С.
Даже Ту-144, летавший скромнее, на двух махах, в полёте удлинялся настолько, что не получалось закрепить ковры в салоне – самолёт, окружённый горячим воздухом, нагревался сам. Что температура торможения на Ту-144 сильно «играет рояль» – видно даже по пульту автопилота:
На ПУ-46 Ту-154 кнопка стабилизации числа Маха называется просто «М» – сравниваются заданное число М и фактическое, получаемое от ВСМВ. А на Ту-144 кнопка называется «М / Тт» – самолёт умеет стабилизировать скорость по температуре торможения: упала температура – надо чуть опустить нос, чтобы выросла скорость.
Скорость же падения боеголовок средних и дальних баллистических ракет вроде «Орешника» – несколько километров в секунду. Это глубоко гиперзвуковые скорости порядка 10 махов, и понятно, что температура торможения там страшная. Сжатый и заторможенный боеголовкой воздух раскаляется настолько, что начинает светиться и превращается в плазму. Ведь сколько состояний у вещества?
В школе учат, что три – твёрдое тело, жидкость, газ. На деле их пять – есть ещё нейтронное вещество и плазма:
Нейтронное вещество пока человечеству получить не удалось – нужно чудовищное давление, чтобы электроны вдавились в ядра и вместе с протонами превратились в нейтроны. А вот плазма прекрасно существует в любой дуговой лампе, будь то ксеноновая или ртутная – для этого достаточно разогреть или иным способом накачать вещество энергией так, чтобы электроны посрывались со своих орбит и ушли в свободный полёт.
Так что «Орешник» не нагревается от трения о воздух – это сжатый и заторможенный боеголовкой воздух от нагрева превращается из газа в плазму. Конечно, от неё нагревается и сама боеголовка – но не насколько, чтобы не выполнить задачу. То же самое происходит и с космическими кораблями, и с метеорами – нагреваются они от теплового излучения окружающей их плазмы. Интересный случай описан у полковника Григорьева в его книге «Обречены на подвиг» – там бездарный лётчик прозевал показания прибора и разогнал МиГ-25 вместо 2,35 М до 3,35 М, на самолёте сгорела краска. Книга упоминалась в статьях о МиГ-25.
А сегодня ещё вышли третье видео про могучий знаменский узел и короткий ролик про систему пескоподачи тепловоза ТЭП70. За обновлениями также можно следить на нашем Телеграм-канале:
—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—